EP0545424B1 - Sichellose Innenzahnradpumpe mit in die Zahnköpfe eingesetzten Dichtelementen - Google Patents

Sichellose Innenzahnradpumpe mit in die Zahnköpfe eingesetzten Dichtelementen Download PDF

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EP0545424B1
EP0545424B1 EP92120694A EP92120694A EP0545424B1 EP 0545424 B1 EP0545424 B1 EP 0545424B1 EP 92120694 A EP92120694 A EP 92120694A EP 92120694 A EP92120694 A EP 92120694A EP 0545424 B1 EP0545424 B1 EP 0545424B1
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EP
European Patent Office
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sealing element
pinion
ring gear
internal gear
gear pump
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EP92120694A
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English (en)
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Peter Peiz
Franz Arbogast
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JM Voith GmbH
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JM Voith GmbH
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Publication date
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    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • F04C15/00—Component parts, details or accessories of machines, pumps or pumping installations, not provided for in groups F04C2/00 - F04C14/00
    • F04C15/0003—Sealing arrangements in rotary-piston machines or pumps
    • F04C15/0007—Radial sealings for working fluid
    • F04C15/0019—Radial sealing elements specially adapted for intermeshing-engagement type machines or pumps, e.g. gear machines or pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C2/00—Rotary-piston machines or pumps
    • F04C2/08—Rotary-piston machines or pumps of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing
    • F04C2/082—Details specially related to intermeshing engagement type machines or pumps
    • F04C2/084—Toothed wheels
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C2/00—Rotary-piston machines or pumps
    • F04C2/08—Rotary-piston machines or pumps of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing
    • F04C2/10—Rotary-piston machines or pumps of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing of internal-axis type with the outer member having more teeth or tooth-equivalents, e.g. rollers, than the inner member
    • F04C2/102—Rotary-piston machines or pumps of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing of internal-axis type with the outer member having more teeth or tooth-equivalents, e.g. rollers, than the inner member the two members rotating simultaneously around their respective axes

Definitions

  • the present invention relates to a sickle-free internal gear pump for generating high pressure according to the preamble of claim 1.
  • a pump of this generic type is known as a special embodiment from DE 41 04 397 A1.
  • Internal gear pumps generally have an internally toothed ring gear with which an externally toothed pinion meshes with a smaller number of teeth, i.e. is drivingly engaged.
  • the toothing of such pumps - based on the diameter of the pinion or the ring gear - is relatively narrow, so that - after the volume flow to be conveyed is determined by the height of the teeth and the width of the toothing, this volume flow in conventional pumps is limited for design reasons.
  • Sickle-free internal gear pumps have the particular advantage of a minimal construction volume.
  • the US 28 66 417 describes an internal gear pump, in which essentially the entire tooth is designed as a sealing element.
  • the tooth thus has two functions to perform: on the one hand, it must transmit torque, and on the other hand, it must seal.
  • the present invention is based on the problem of specifying a sickle-free internal gear pump of the generic type, with which the sealing effect when pressure builds up between the opposing tooth tips of the gear wheels is improved without the manufacturing effort increasing disproportionately and with the result that the aforementioned inadequacies (pressure pulsation, Noise) are eliminated.
  • the essence of the present invention lies in replacing the tooth tips of the ring gear or pinion with an equivalent, ie equivalent, use, due to its specific Design or shape in the area of the pressure build-up realizes a surface seal and thus ensures a minimal gap between the pinion head and the ring gear head. This also improves the volumetric efficiency, which ultimately has the consequence that the internal gear pump is suitable for higher pressures. Likewise, the extreme efforts required to minimize the gap when manufacturing or assembling an internal gear pump are eliminated; For example, there is no need to jointly spindle out the slide bearings of the bearing caps of an internal gear pump. With regard to the production of ring gears, it should be noted that the elaborate and complicated profile grinding of the hollow head shape can be omitted, because this is verified by a separate, and therefore less expensive to use insert.
  • a particular advantage of the concept according to the invention is that a sensible pressure build-up control via control slots is possible via the radial compensation achieved.
  • FIG. 1 shows in a cross section a sickle-free, head-sealing and play-afflicted internal gear pump, each with a flank sealing, in the region of a middle housing part 1, which - viewed in the axial direction - Connect further housing parts.
  • the entire pump with the three housing parts has an overall axial length L.
  • An externally toothed pinion 5 fastened to a drive shaft 4 is in engagement with an internally toothed ring gear 6.
  • the toothing 12 of the pinion 5 and the ring gear 6 has an axial width B, the pinion one Pitch circle diameter dO; the width of the toothing is larger than the pitch circle diameter dO.
  • the pinion 5 and the ring gear 6 are not mounted coaxially, but eccentrically to one another; furthermore, the pinion 5 has one tooth less than the ring gear 6, so that in each case the outside of a tooth head 13 on the pinion 5 comes into contact with the inside of a tooth head 14 on the ring gear 6.
  • a suction connection 7 can also be seen in the zone in which the teeth on the pinion 5 or ring gear 6 disengage when rotated in the direction of the arrow X.
  • the suction connection 7 in the middle part 1 of the housing, in which the ring gear 6 and the pinion 5 are mounted, is followed in the axial direction by a suction pocket 8, which extends over part of the outer surface 20 of the ring gear 6, to the adjacent housing parts.
  • a pressure connection 10 is located on the opposite side of the pump, likewise starting from a pressure pocket 11 which extends over a peripheral region on the ring gear.
  • sealing elements 30 are now used in a manner known per se on the tooth heads of the ring gear 6, which are specially designed and mounted or held according to the present invention. These sealing elements 30 according to the invention are shown enlarged in FIG. 2.
  • FIG. 2 shows a section of the ring gear 6 in the region of a tooth head 14.
  • the openings 17 provided for the inflow of the pressure medium to the interior of the internal gear pump are incorporated.
  • the sealing elements 30 are each used in the transition area between an opening 17 and a tooth head 14 and in such a way that an overlap area (undercut) 32 is formed towards the opening 17.
  • the outer end face 33 of the sealing element 30, that is to say on the head side, is designed such that when the sealing element 30 is arranged symmetrically relative to a tooth head 14, its nominal head shape, i.e. whose geometric ideal shape corresponds exactly.
  • the sealing element 30 itself is - as is known at the view - radially movable (see arrow Y) in a complementary to the cross section of the sealing element 30 formed profile groove 34 mounted or inserted in the tooth head 14.
  • a radially directed displacement of the sealing element 30 in the profile groove 34 can thus be verified.
  • Said radial displacement is limited on both sides, on the one hand by a rim adjoining the rounded or profiled end face 33 with a conjugated stop face 37 of the sealing element 30 which abuts a complementary stop face 36 of the tooth head 14; the second stop is a positive one Fixed stop 38 of the foot part 39 of the sealing element 30 realized on the conjugated side surface 40 of the profile groove 34. Between these two stops, the sealing element 30 can thus be moved radially to the extent of the gap width Z.
  • the sealing element 30 has approximately the cross-sectional shape of a mushroom, the foot part lagging in the direction of rotation X of the ring gear 6 being widened conically in the direction of the lateral surface 20. Said fixed stop 38 thus results from the complementary wall formation of the profile groove 34.
  • a free space 41 which is open to the pressure chamber of the pump via the undercut 32 or the cut of the opening 17.
  • a spring element in particular a wave spring 42, is located opposite the foot of the sealing element 30 in the free space 41.
  • the material of the sealing element 30 must have good running-in properties, so that only non-ferrous metal or fiber-reinforced plastic can be used as the material.
  • sealing element 30 according to the invention was only disclosed in connection with a ring gear 6 in the foregoing with reference to FIG. 2, sealing elements which meet the specified conditions can also be installed in the pinion 5.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine sichellose Innenzahnradpumpe zur Erzeugung von Hochdruck nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine Pumpe dieser gattungsgemäßen Bauart ist als besonderes Ausführungsbeispiel aus der DE 41 04 397 A1 bekannt.
  • Innenzahnradpumpen weisen im allgemeinen ein innenverzahntes Hohlrad auf, mit dem ein außenverzahntes Ritzel mit geringerer Zähnezahl kämmt, d.h. treibend im Eingriff steht. In der Regel ist die Verzahnung derartiger Pumpen - bezogen auf den Durchmesser der Ritzel bzw. des Hohlrades - relativ schmal, so daß - nachdem der zu fördernde Volumenstrom durch die Höhe der Zähne und die Breite der Verzahnung bestimmt ist, dieser Volumenstrom bei den gängigen Pumpen aus konstruktiven Gründen begrenzt ist. Sichellose Innenzahnradpumpen haben insbesondere den Vorteil eines mimimalen Bauvolumens.
  • Zur Verbesserung der Dichtheit zwischen den Zahnköpfen von Ritzel und Hohlrad ist in der DE 41 04 397 A1 bereits vorgeschlagen worden, in jedem der Zahnköpfe eines der beiden Zahnräder ein Dichtelement einzusetzen. Diese Dichtelemente stehen rückseitig mit dem Druckbereich in Verbindung, so daß sie sich beim Kämmen der Zahnräder dichtend gegen den Zahnkopf des jeweils anderen Zahnrads anlegen.
  • Bei der aus der DE 41 04 397 A1 bekannten sichellosen Innenzahnradpumpe entsteht jedoch im Bereich des Druckaufbaus an den Zahnköpfen der geometrischen Form der Dichtelemente entsprechend nur eine Liniendichtung. Dies hat bei ungünstigen Verhältnissen aufgrund von Toleranzabweichungen, von Abstandsveränderungen oder von Änderungen der Kopfkreisdurchmesser ggf. zur Folge, daß die Dichtheit der Innenzahnradpumpe mangelhaft ist. Dies bedeutet einen Verlust an Pumpmedium, einen Abfall des volumetrischen Wirkungsgrades, eine Zunahme der Druckpulsation und schließlich eine Zunahme des Geräuschpegels der Pumpe beim Betrieb. Die für eine Abhilfe erforderlichen günstigeren Spaltverhältnisse im Bereich der Zahnkopf-Dichtung beim Druckaufbau ließe sich nur mit einem extrem hohen Fertigungsaufwand realisieren.
  • Die US 28 66 417 beschreibt eine Innenzahnradpumpe, bei der im wesentlichen der gesamte Zahn jeweils als Dichtelement ausgebildet ist. Der Zahn hat dabei somit zwei Funktionen zu erfüllen: Zum einen muß er Drehmoment übertragen, zum anderen muß er dichten.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Problemstellung zugrunde, eine sichellose Innenzahnradpumpe der gattungsgemäßen Art anzugeben, mit der die Dichtwirkung beim Druckaufbau zwischen den sich gegenüberliegenden Zahnköpfen der Zahnräder verbessert wird, ohne daß der Fertigungsaufwand überproportional ansteigt und mit der Folge, daß die vorgenannten Unzulänglichkeiten (Druckpulsation, Geräusch) eliminiert sind.
  • Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
  • Mit anderen - als im Patentanspruch 1 gebrauchten - Worten ausgedrückt, liegt der Kern der vorliegenden Erfindung letztlich darin, die Zahnköpfe des Hohlrades oder des Ritzels quasi durch einen äquivalenten, d.h. gleichwirkenden Einsatz zu ersetzen, der aufgrund seiner spezifischen Ausgestaltung bzw. Formgebung im Bereich des Druckaufbaus eine Flächendichtung realisiert und so für einen minimalen Spalt zwischen Ritzelkopf und Hohlradkopf sorgt. Damit wird auch der volumetrische Wirkungsgrad verbessert, was schließlich zur Folge hat, daß die Innenzahnradpumpe für höhere Drücke geeignet ist. Gleichermaßen entfallen die bei der Fertigung bzw. Montage einer Innenzahnradpumpe erforderlichen extremen Anstrengungen zur Spaltminimierung; beispielsweise entfällt das gemeinsame Ausspindeln der Gleitlager der Lagerdeckel einer Innenzahnradpumpe. Im Hinblick auf die Fertigung von Hohlrädern ist anzumerken, daß das aufwendige und komplizierte Profilschleifen der Hohlkopfform entfallen kann, weil diese ja durch einen separat, und damit kostengünstiger zu fertigenden Einsatz verifiziert ist.
  • Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Konzeption besteht darin, daß über die erreichte Radialkompensation eine sinnvolle Druckaufbausteuerung über Steuerschlitze möglich ist.
  • Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in
    • Fig. 1
    einen Querschnitt durch eine sichellose Innenzahnradpumpe im Bereich der beiden Zahnräder;
    Fig. 2
    ein Ausführungsbeispiel eines Dichtelements in Verbindung mit seinem Einbau im Zahnkopf eines Hohlrades.
  • Die Fig. 1 zeigt in einem Querschnitt eine sichellose, kopfdichtende und spielbehaftete jeweils mit einer Flanke dichtende Innenzahnradpumpe und zwar im Bereich eines Gehäusemittelteils 1 , dem sich - in Axialrichtung betrachtet - weitere Gehäuseteile anschließen. Die gesamte Pumpe mit den drei Gehäuseteilen habe eine axiale Gesamtlänge L. Ein auf einer Antriebswelle 4 befestigtes außenverzahntes Ritzel 5 steht im Eingriff mit einem innenverzahnten Hohlrad 6. Die Verzahnung 12 des Ritzels 5 und des Hohlrads 6 habe eine axiale Breite B, das Ritzel einen Wälzkreisdurchmesser dO; die Breite der Verzahnung sei größer als der Wälzkreisdurchmesser dO. Das Ritzel 5 und das Hohlrad 6 sind nicht koaxial, sondern exzentrisch zueinander gelagert; ferner weist das Ritzel 5 einen Zahn weniger auf als das Hohlrad 6, so daß jeweils die Außenseite eines Zahnkopfes 13 am Ritzel 5 mit der Innenseite eines Zahnkopfes 14 am Hohlrad 6 in Berührung kommt. Zu erkennen ist ferner ein Sauganschluß 7 in der Zone, bei der unter Drehung in Pfeilrichtung X die Zähne am Ritzel 5 bzw. Hohlrad 6 außer Eingriff geraten. Dem Sauganschluß 7 im Gehäusemittelteil 1 , in dem das Hohlrad 6 und das Ritzel 5 gelagert sind, schließt sich in axialer Richtung jeweils zu den benachbarten Gehäuseteilen eine Saugtasche 8 an, die sich über einen Teil der Mantelfläche 20 des Hohlrads 6 erstreckt. Ein Druckanschluß 10 befindet sich, ebenfalls ausgehend von einer sich über einen Umfangsbereich am Hohlrad erstreckenden Drucktasche 11, auf der gegenüberliegenden Seite der Pumpe. Die Zuströmung von Druckmedium zum Innenraum der Pumpe, also zu den Zahnlücken im Ritzel 5 und im Hohlrad 6 , welche die Förderung des Druckmediums bewirken, erfolgt über - vgl. Fig. 2 - radiale Durchbrüche 17 im Hohlrad 6. Diese Durchbrüche 17 gehen von der Mantelfläche 20 aus und münden im Zahngrund des Hohlrades 6.
  • Die soweit beschriebene sichellose Innenzahnradpumpe ist Stand der Technik.
  • Gemäß der Darstellung nach Fig. 1 sind nun - in an sich bereits bekannter Weise - an den Zahnköpfen des Hohlrades 6 jeweils Dichtelemente 30 eingesetzt, die gemäß der vorliegenden Erfindung besonders ausgebildet und gelagert bzw. gehalten sind. Diese erfindungsgemäßen Dichtelemente 30 sind in Fig. 2 vergrößert dargestellt.
  • Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt des Hohlrades 6 im Bereich eines Zahnkopfes 14. Über den Umfang des Hohlrades 6 betrachtet sind die zur Zuströmung des Druckmediums zum Innenraum der Innenzahnradpumpe vorgesehenen Durchbrüche 17 eingearbeitet.
  • Die Dichtelemente 30 sind jeweils im Übergangsbereich zwischen einem Durchbruch 17 und einem Zahnkopf 14 eingesetzt und zwar so, daß zum Durchbruch 17 hin ein Überlappungsbereich (Hinterschneidung) 32 entsteht. Die äußere, sprich kopfseitige Stirnfläche 33 des Dichtelements 30 ist so ausgebildet, daß sie bei symmetrischer Anordnung des Dichtelements 30 relativ zu einem Zahnkopf 14 dessen Soll-Kopfform, d.h. dessen geometrischer Idealform exakt entspricht.
  • Das Dichtelemente 30 selbst ist - wie an sicht bekannt - radial beweglich (vgl. Pfeil Y) in einer komplementär zum Querschnitt des Dichtelements 30 ausgebildeten Profilnut 34 im Zahnkopf 14 montiert bzw. eingesetzt. Damit läßt sich eine radial gerichtete Verschiebung des Dichtelements 30 in der Profilnut 34 verifizieren. Die genannte Radialverschiebung ist beidseitig begrenzt, und zwar einerseits durch eine an die gerundete bzw. profilierte Stirnfläche 33 angrenzende Krempe mit einer an einer komplementären Anschlagfläche 36 des Zahnkopfes 14 anschlagenden konjugierten Anschlagfläche 37 des Dichtelements 30; der zweite Anschlag wird durch einen formschlüssigen Festanschlag 38 des Fußteils 39 des Dichtelements 30 an der konjugierten Seitenfläche 40 der Profilnut 34 realisiert. Zwischen diesen beiden Anschlägen kann somit das Dichtelement 30 im Ausmaß der Spaltbreite Z radial bewegt werden.
  • Wie der zeichnerischen Darstellung nach Fig. 2 zu entnehmen ist, hat das Dichtelement 30 etwa die Querschnittsform eines Pilzes, wobei das in Umlaufrichtung X des Hohlrades 6 betrachtet nacheilende Fußteil konisch in Richtung Mantelfläche 20 verbreitert ist. Der genannte Festanschlag 38 ergibt sich so über die komplementäre Wandausbildung der Profilnut 34.
  • An den Fuß des Dichtelements 30 schließt ein Freiraum 41 an, der über den genannten Hinterschnitt 32 bzw. Anschnitt des Durchbruchs 17 zum Druckraum der Pumpe hin offen ist. So entsteht - vom Fuß des Dichtelements 30 aus betrachtet - eine zum Druckraum hin offene Verbindung, über die das Dichtelement 30 beim Umlauf der Zahnräder druckbeaufschlagt wird und über die in der Druckaufbauphase das Dichtelemente 30 vom Systemdruck an den Ritzelkopf 13 angepreßt werden kann. Damit das Dichtelement 30 in der Saugphase der Innenzahnradpumpe nicht aufgrund der Fliehkraft von der Anschlagfläche 36 abhebt, liegt dem Fuß des Dichtelements 30 im Freiraum 41 ein Federelement, insbesondere eine Wellfeder 42 gegenüber.
  • Das im vorstehenden anhand von Fig. 2 offenbarte Dichtelement 30 muß letztendlich folgende Eigenschaften aufweisen:
    • Da die Liniendichtung an dem einen Kopfende beginnt und nach einem Drehwinkel von ca. 40° am anderen Kopfende endet, muß das Dichtelement über die ganze Kopfbreite ausgebildet werden.
    • Die Kopfform entspricht der vom Ritzelkopf bzw. vom Hohlradkopf erzeugten Geometrie.
    • Für eine mögliche Einlaufphase muß das Element ausweichen können, wobei um den Einlauf zu begrenzen, ein beidseitiger Endanschlag vorhanden sein muß.
  • Das Material des Dichtelements 30 muß gute Einlaufeigenschaften aufweisen, so daß als Werkstoff nur Buntmetall oder faserverstärkter Kunststoff in Frage kommt.
  • Ergänzend sei angemerkt, daß - axial über einen Bereich von 360° betrachtet - eine Führung für die Dichtleisten vorhanden sein muß, um ein seitliches Auswandern zu verhindern.
  • Wenn im Vorstehenden anhand von Fig. 2 das erfindungsgemäße Dichtelement 30 nur in Verbindung mit einem Hohlrad 6 offenbart wurde, so können den vorgegebenen Bedingungen gerechtwerdende Dichtelemente gleichermaßen auch im Ritzel 5 eingebaut werden.

Claims (5)

  1. Sichellose Innenzahnradpumpe mit einer im wesentlichen mit einer Flanke dichtenden Verzahnung, mit einem innenverzahnten Hohlrad (6) und einem mit dem Hohlrad (6) kämmenden Ritzel (5), die in einem gemeinsam gelagerten Gehäuseteil (1) drehbar gelagert sind, dessen axiale Erstreckung der Breite der Verzahnung (12) des Hohlrades (6) und des Ritzels (5) entspricht und welches einen Sauganschluß (7) und einen Druckanschluß (10) aufweist, wobei das Hohlrad (6) radiale Durchbrüche (17) für das zu pumpende Medium aufweist, und wobei in den Zahnköpfen (14) des Hohlrads (6) je ein in einer entsprechend ausgebildeten Profilnut (34) radial bewegliches Dichtelement (30) eingesetzt ist, das am gegenüberliegenden Zahnkopf des Ritzels (5) gleiten kann,
    gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
    1.1 das Dichtelement (30) nimmt im Bereich der Gleitfläche die - in Umfangsrichtung gesehen - gesamte Kopfbreite des Kohlrades (6) ein;
    1.2 die Kopfform des Dichtelementes (30) entspricht der vom Ritzelkopf erzeugten Geometrie.
  2. Innenzahnradpumpe nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß das Dichtelement (30) und die Profilnut (34) zueinander komplementär so ausgebildet sind, daß die radiale Beweglichkeit des Dichtelements einerseits durch einen das Eintauchen in die Profilnut (34) begrenzenden Endanschlag (36) und andererseits durch einen das Ausfahren aus der Profilnut (34) begrenzenden Festanschlag (38) definiert ist.
  3. Innenzahnradpumpe nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß das Dichtelement (30) der Profilnut (34) gegenüber über ein Federelement, insbesondere eine Wellfeder (42) vorgespannt eingesetzt ist.
  4. Innenzahnradpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß an der Unterseite des Dichtelements (30) eine offene Verbindung zum Druckraum des zu pumpenden Mediums vorgesehen ist.
  5. Innenzahnradpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Dichtelemente (30) aus Buntmetall oder faserverstärktem Kunststoff gefertigt sind.
EP92120694A 1991-12-06 1992-12-04 Sichellose Innenzahnradpumpe mit in die Zahnköpfe eingesetzten Dichtelementen Expired - Lifetime EP0545424B1 (de)

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EP0545424A1 EP0545424A1 (de) 1993-06-09
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