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TECHNISCHES GEBIET
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Die Erfindung betrifft den Bereich der Pumpenentwicklung, insbesondere eine Zahnradpumpe, die als Ölpumpe in einem Verbrennungsmotor eingesetzt werden kann.
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HINTERGRUND
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Die Publikation
DE 10 2015 107 519 A1 betrifft eine Verdrängerpumpe, konkre eine Flügelzellenpumpe, zur Förderung eines Fluids für einen Verbraucher (Stellzylinder). Die Verdrängerpumpe hat einen Rotor, dessen Mantelfläche zumindest eine Vertiefung aufweist, die dazu ausgebildet ist, eine Fluidströmung, mit welcher eine in einer Saugzone angeordnete Förderkammer beaufschlagbar ist, in einen Innenraum der Förderkammer zu leiten.
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Eine Zahnradpumpe nutzt das Ineinandergreifen von Zahnrädern, um eine Flüssigkeit durch Flüssigkeitsverdrängung zu pumpen. Zahnradpumpen sind eine der gängigsten Pumpenarten für Hydraulikanwendungen. Zum Beispiel sind Ölpumpen in Verbrennungsmotoren normalerweise als Zahnradpumpen ausgeführt. Zahnradpumpen werden auch häufig in Chemieanlagen zum Pumpen von hochviskosen Flüssigkeiten verwendet. Im Wesentlichen existieren zwei Arten von Zahnradpumpen, z.B. Außenzahnradpumpen mit zwei außenliegenden Stirnrädern und Innenzahnradpumpen mit einem außenliegenden Stirnrad und einem innenliegenden Stirnrad.
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Sobald sich die Zahnräder drehen, kämmen die Zähne der Zahnräder an der Einlassseite (Saugseite) auseinander, bilden einen Hohlraum und dadurch einen Sog. Der Hohlraum wird mit Flüssigkeit gefüllt, die von den Zahnrädern zur Auslasseite (Druckseite) der Pumpe befördert wird, wo das Ineinandergreifen der Zahnräder die Flüssigkeit verdrängt. Das mechanische Spiel ist gering (im Bereich von wenigen 10 Mikrometern) und das knappe Spiel hindert die Flüssigkeit zusammen mit der Drehgeschwindigkeit zuverlässig vor dem Zurücklaufen. Die steife Konstruktion der Zahnräder und des Gehäuses ermöglichen üblicherweise sehr hohe Drücke und die Fähigkeit hochviskose Flüssigkeiten zu pumpen.
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Außenzahnradpumpen sind normalerweise so ausgeführt, dass die Flüssigkeit (z.B. Öl) auf der Einlassseite in radialer Richtung (radialer Zustrom) auf die Zahnräder zuströmt. In diesem Zusammenhang beziehen sich die Begriffe “radial” und “axial” auf die Drehung der Zahnräder. Insbesondere wenn zwei ineinandergreifende Zähne zweier ineinandergreifender Zahnräder auf der Einlassseite der Pumpe auseinanderkämmen, hat der oben genannte Hohlraum keine radiale Verbindung mehr zum Einlasskanal und der Weg der Flüssigkeit ist immer noch durch die Zähne der Zahnräder blockiert. Zur gleichen Zeit vergrößert sich das Volumen zwischen den beiden ineinandergreifenden Zähnen (noch nicht mit Flüssigkeit gefüllt), was zu einem Druckabfall in diesem Volumen führt. Sobald die zwei Zähne schließlich auseinanderkämmen, öffnet sich die radiale Verbindung zwischen dem oben genannten Hohlraum und dem Einlass schlagartig und kann zu einem abrupten Anstieg des lokalen Druckes führen, oder im schlimmsten Fall zur Kavitation. Die resultierenden Druckschwankungen können den Flüssigkeitsstrom in den Hohlraum behindern, den volumetrischen Wirkungsgrad der Pumpe verschlechtern und unerwünschte Leckage steigern. Insbesondere kann der plötzliche Druckabfall aufgrund der sich öffnenden Zähne, Öl durch den kleinen Dichtspalt (Spaltdichtung) aus der Druckseite der Pumpe saugen, was zusätzliche Leckage hervorruft.
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Im Hinblick auf die obigen Erläuterung kann eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung das Bereitstellen einer Zahnradpumpe mit verbessertem Wirkungsgrad sein. Dieses Aufgabe wird durch die Zahnradpumpe nach Anspruch 1 gelöst. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele und Weiterentwicklungen sind von den abhängigen Ansprüchen umfasst.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Es wird eine Zahnradpumpe beschrieben. Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst die Zahnradpumpe ein erstes Zahnrad, das in ein zweites Zahnrad eingreift, sowie ein Gehäuse, in dem die Zahnräder gelagert sind. Das Gehäuse enthält einen ersten Holraum, der zumindest teilweise an eine erste Seitenfläche des ersten Zahnrades angrenzt, und einen zweiten Hohlraum, der zumindest teilweise an eine zweite Seitenfläche des ersten Zahnrades angrenzt. Die Zahnradpumpe umfasst weiter einen Flüssigkeitseinlasskanal der dazu ausgebildet ist, Flüssigkeit zu den Zahnrädern zu leiten, wobei zumindest ein Deflektor derart im Flüssigkeitseinlass angeordnet ist, dass ein einfallender Flüssigkeitsstrom sowohl zu dem ersten Hohlraum als auch zu dem zweiten Hohlraum hin gelenkt wird.
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In einem Ausführungsbeispiel ist der Deflektor so geformt und angeordnet, dass der einfallende Flüssigkeitsstrom in einen ersten Teil und zumindest einen zweiten Teil aufgeteilt wird, wobei der erste Teil des Flüssigkeitsstromes zu dem ersten Hohlraum hin gelenkt wird und der zweite Teil des Flüssigkeitsstromes zu dem zweiten Hohlraum hin gelenkt wird. Der Deflektor kann so geformt sein, dass der einfallende Flüssigkeitsstrom daran gehindert ist, in radialer Richtung direkt zu den umlaufenden Oberflächen (circumferential surface) der Zahnräder hin zu strömen. Der Deflektor kann entweder ein integraler Teil des Gehäuses oder eine an einer inneren Oberfläche des Einlasskanals oder des Gehäuses angebrachte separate Komponente sein. Ein weiterer Deflektor kann so angeordnet sein, dass er den ersten Teil des Flüssigkeitsstromes zu dem ersten Hohlraum hin lenkt.
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Der erste Hohlraum kann durch eine Ausnehmung gebildet werden, die in einer inneren Oberfläche eines Gehäusedeckels gebildet ist. Der zweite Hohlraum kann durch eine Ausnehmung gebildet werden, die in einer inneren Oberfläche des Gehäuses gebildet ist. Zusätzlich oder alternativ kann der zweite Hohlraum durch eine Einbuchtung gebildet werden, die in dem Einlass an die zweite Seitenfläche des esten Zahnrades angenzend gebildet ist In verschiedenen Ausführungsbeispielen sind der erste und der zweite Hohlraum, an entgegengesetzten Seiten der Zahnräder und in axialer Richtung, zu den Zahlrädern benachbart angeordnet..
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In manchen Ausführungsbeispielen verläuft der den Flüssigkeitseinlass bildende Kanal in Bezug zu einem den Flüssigkeitsaulass bildenden Kanals schräg (nicht fluchtend). Der Einlasskanal kann zumindest teilweise im Inneren des Gehäuses angeordnet sein. Zusätzlich oder alternativ kann der Einlasskanal zumindest teilweise durch einen außen am Gehäuse angebrachten Kanal gebildet sein.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die Erfindung lässt sich anhand der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnungen besser verstehen. Die Komponenten in den Figuren sind nicht notwendigerweise maßstäblich, stattdessen liegt das Augenmerk in der Darstellung der Prinzipien der Erfindung. Darüber hinaus bezeichnen in den Figuren gleiche Bezugszeichen gleiche Teile. Zu den Zeichnungen:
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1 zeigt eine isometrische Schnittansicht einer exemplarischen Zahnradpumpe.
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2 zeigt eine weitere Schnittansicht der Zahnradpumpe nach 1.
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3 zeigt schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel einer Zahnradpumpe, die Darstellung zeigt die Einlassseite einer Zahnradpumpe, wobei die Flüssigkeit den Einlass im Wesentlichen in einer radialen Richtung durchströmt.
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4 zeigt schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel einer Zahnradpumpe, die Darstellung zeigt die Einlassseite einer Zahnradpumpe, wobei die Flüssigkeit den Einlass im Wesentlichen in einer axialen Richtung durchströmt.
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5 zeigt (A) eine isometrische Schnittansicht und (B) eine weitere Schnittansicht eines dritten Ausführungsbeispiels einer Zahnradpumpe.
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6 zeigt den Deckel des Pumpengehäuses gemäß dem Ausführungsbeispiel nach 5.
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DETAILIERTE BESCHREIBUNG
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Die nachfolgende Beschreibung betrifft eine Ölpumpe als anschauliches Beispiel für eine Zahnradpumpe. Solche Ölpumpen können beispielsweise als Teil des Schmierungssystems eines Verbrennungsmotors eingesetzt werden. Selbstverständlich können Zahnradpumpen, die gemäß den hier beschriebenen Ausführungsbeispielen ausgeführt sind, problemlos in nicht-automobilen Anwendungen eingesetzt und auch zum Pumpen anderer Flüssigkeiten als Öl genutzt werden.
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1 zeigt eine exemplarische Zahnradpumpe 1, die zum Pumpen von Öl, beispielsweise von einem Ölspeicher in die Zylinderköpfe eines Verbrennungsmotores, eingesetzt werden kann. 1 zeigt das Gehäuse 10 der Zahnradpumpe, das die den Gehäusedeckel 11 enthält. 1 ist eine Schnittansicht durch den Einlassteil der Pumpe 20, sodass sowohl das Innere des Einlasskanals 12 als auch eines der beiden Zahnräder (erstes Zahnrad 20), die im Gehäuse 10 gelagert sind, sichtbar sind. In dem Kanal, der den Einlasskanal 12 der Pumpe bildet, ist ein Leitblech 30 (baffle) vorgesehen, dass das einströmende Öl hin zu den Zahnrädern leitet. Der Pfeil zeigt schematisch die Richtung des einströmenden Öls an. Durch das Leitblech erreicht das Öl die Zahnräder teilweise an der unteren Seitenfläche der Zahnräder (in im Wesentlichen axialer Richtung) und teilweise an der Umfangsseite der Zahnräder (in im Wesentlichen radialer Richtung).
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2 zeigt eine weitere Schnittansicht der exemplarischen Pumpe in 1. In 2 wurde der Gehäusedeckel 11 entfernt um eine Draufsicht in das Gehäuse 10 der Zahnradpumpe 1 zu ermöglichen. 2 zeigt die beiden ineinandergreifenden Zahnräder (erstes Zahnrad 20 und zweites Zahnrad 21) sowie einen Teil des Kanals, der den Auslass 13 auf der Druckseite der Pumpe bildet. Wie oben beschrieben, kann durch das Auseinanderkämmer Zahnräder 20, 21 ein plötzlicher Druckabfall entstehen, der zu erhöhter Leckage und verringerter Effizienz führt. Darüber hinaus bildet das Leitblech 30 (siehe auch 1) eine Art “Flaschenhals”, der die für das Öl verfügbare Querschnittsfläche zum Durchströmen der beiden Räder drosselt. Zusätzlich dazu, kann der Ölstrom neben den Rädern zu Turbulenzen führen, die von der Gegenbewegung des Ölstromes in Bezug zur Zahnradbewegung verursacht werden.
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Zur Verbesserung dieses Umstandes kann der Kanal, der den Öleinlasskanal 12 bildet, so ausgeführt sein, dass das einströmende Öl hin zu Hohlräumen umgelenkt wird, die sich axial rechts und links von zumindest einem der Zahnräder 20, 21 befinden. Die genannte Umlenkung wird durch einen Deflektor oder durch ein Deflektorsystem im Einlasskanal 12 der Zahnradpumpe erreicht. Die Hohlräume können von Ausnehmungen in dem Gehäusedeckel 11 und dem Gehäuse 10 gebildet werden. Zumindest eine der Ausnehmungen kann von einer Einbuchtung im Einlasskanal 12 gebildet werden, die an eine Seitenfläche des Zahnrades 20 angrenzt. Der Deflektor lenkt den einfallenden Ölstrom zu den genannten Hohlräumen hin, wobei, erstens ein Staudruck in den Hohlräumen erzeugt und zweitens verhindert wird, dass der einfallende Ölstrom die umlaufende Oberfläche der Zahlräder 20, 21 direkt aus einer radialen Richtung erreicht.
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3 zeigt ein einfaches exemplarisches Ausführungsbeispiel zur Umsetzung des oben beschriebenen Konzepts. 3 ist eine Querschnittsansicht eines Zahnrades 20 einer Zahnradpumpe, das in einem Gehäuse 10 mit einem abnehmbaren Gehäusedeckel 11 gelagert ist. Der Kanal, der den Einlasskanal 12 bildet, erstreckt sich im Wesentlichen in einer radialen Richtung (senkrecht zu der Rotationsachse A der Zahnräder). Eine erste Ausnehmung 15a ist in dem Gehäusedeckel 11 vorgesehen und eine zweite Ausnehmung 15b ist im Gehäuse 10 vorgesehen. Beide Ausnehmungen bilden Hohlräume, die sich rechts und links vom Zahnrad 20 befinden und zumindest teilweise an die untere (links) und die obere (rechts) Seitenfläche 16a, 16b des Zahnrades 20 angrenzen. Ein Deflektor 31 ist im Einlasskanal 12 angeordnet. Wie erwähnt ist der Deflektor 31 so gestaltet, dass er den (radial) einfallenden Ölstrom in die durch die Ausnehmungen 15a und 15b gebildeten Hohlräume lenkt, um dadurch einen Staudruck in den Hohlräumen auf beiden Seiten der Zahnräder zu erzeugen (z.B. axial über und axial unterhalb der Zahnräder).
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4 zeigt ein weiteres einfaches Ausführungsbeispiel zur Umsetzung des oben beschriebenen Konzepts. 4 ist eine Querschnittsansicht eines Zahnrades 20 einer Zahnradpumpe, das in einem Gehäuse 10 mit einem abnehmbaren Gehäusedeckel 11 gelagert ist. Im Gegensatz zum vorhergehenden Beispiel in 3, erstreckt sich der Kanal, der den Einlasskanal 12 bildet, im Wesentlichen in einer axialen Richtung (parallel zur Rotationsachse A der Zahnräder). Wie im vorhergehenden Beispiel ist eine erste Ausnehmung 15a in dem Gehäusedeckel 11 vorgesehen und eine zweite Ausnehmung 15b im Gehäuse 10 vorgesehen, wobei beide Ausnehmungen Hohlräume bilden, die zumindest teilweise an die Seitenflächen 16a, 16b des Zahnrades 20 (und des Zahnrades 21, in 4 nicht dargestellt) angrenzen. Die zweite Ausnehmung 15b kann auch als eine zur Seitenfläche 16b des Zahnrades 20 benachbarte Einbuchtung im Einlasskanal 12 angesehen werden. Ein Deflektor 31 ist im Einlasskanal 12 angeordnet und der Deflektor ist im vorliegenden Beispiel so ausgeführt, dass er den (axial) einfallenden Ölstrom in die durch die Ausnehmungen 15a und 15b gebildeten Hohlräume lenkt. Die Wirkung des Deflektors ist praktisch die gleiche wie im vorhergehenden Beispiel nach 3. In beiden Fällen wird der einfallende Ölstrom in zwei Teile “geteilt”, von denen der Eine zur ersten Ausnehmung 15a geleitet wird während der Andere zur zweiten Ausnehmung 15b geleitet wird.
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5 zeigt eine weitere exemplarische Zahnradpumpe zur Umsetzung des hier beschriebenen Konzepts. 5A und 5B sind verschiedene Schnittansichten (im Hinblick auf verschiedene Schnittebenen) deselben Ausführungsbeispiels. In beiden Ansichten geht die Schnittebenedurch den Einlasskanal 12 der Pumpe, um das Innere des Einlasskanals 12 visualisieren. Dementsprechend zeigt 5 das im Gehäuse 10, welches den Gehäusedeckel 11 aufweist, gelagerte Zahnrad 20. Das Antriebsrad 22 ist außerhalb des Gehäuses 10 angeordnet und mechanisch mit dem Zahnrad 20 verbunden. Ähnlich wie in den vorhergehenden Beispielen ist in der inneren Oberfläche des Gehäusedeckels 11 eine Ausnehmung 15a zur Bildung eines Hohlraumes vorgesehen, der zumindest teilweise an die obere Seitenfläche des Zahnrades 20 angrenzt (z.B. ist der Hohlraum axial über dem Zahnrad 20). Eine Einbuchtung 15b’ bildet einen weiteren Hohlraum im Einlasskanal 12 im Inneren des Gehäuses 10. Der weitere Hohlraum grenzt an die untere Seite des Zahnrades 20 (z.B. ist der Hohlraum axial unter dem Zahnrad 20). Ähnlich wie in den vorhergehenden Beispielen ist zumindest ein Deflektor 31 im Einlasskanal 12 angeordnet. Im vorliegenden Beispiel ist ein erster Deflektor 31, der im unteren Teil des Einlasskanals 12 angeordnet ist, so gestaltet, dass der einfallende Ölstrom in zwei Teile geteilt wird, wobei ein erster (unterer) Teil des einfallenden Ölstromes entlang der unteren Oberfläche des Deflektors 31 zu dem durch die Einbuchtung 15b‘ gebildeten Hohlraum gelenkt wird und wobei der zweite (obere) Teil des anfallenden Ölstromes entlang einer oberen Oberfläche des Deflektors 31 zu dem durch die Ausnehmung 15a gebildeten Hohlraum gelenkt wird. Gemäß dem vorliegenden Beispiel ist ein weiterer Deflektor 32 an der inneren Oberfläche des Gehäusedeckels 11 angeordnet. Der Deflektor 21 ist so geformt, das der obere Teil des anfallenden Ölstromes auf effiziente Weise, und ohne zuviele Verwirbelungen zu erzeugen, zu dem durch die Ausnehmung 15a gebildeten Hohlraum oberhalb der Zahnräder 20, 21 geführt wird.
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In den hier beschriebenen Beispielen ist der erste Deflektor 31 im Einlasskanal 12 der Zahnradpumpe angeordnet, wobei der Flüssigkeitseinlasskanal 12 im Inneren des Gehäuses 10 liegt. Das heißt, dass der Kanal, der den Einlasskanal 12 an der Saugseite der Pumpe bildet, hauptsächlich durch die spezifische Form der Innenseite des Gehäuse 10 gebildet wird. Jedoch versteht sich, dass im Allgemeinen zumindest ein Teil des Flüssigkeitseinlasses durch eine separate Komponente gebildet werden kann, die sich außerhalb des Gehäuses 10 befindet und die während des Zusammenbaus der Zahnradpumpe am Gehäuse 10 befestigt wird.
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In allen Ausführungsbeispielen kann der Deflektor 31 ein integraler Bestandteil des Gehäuses 10 sein. Das Gehäuse kann beispielsweise aus Gusseisen oder Aluminiumguss bestehen. Das heißt, dass der Deflektor 31 und der Hauptteil des Gehäuses 10 ein Teil sein können. Die Ausnehmung 15b oder die Einbuchtung 15b’, die den Hohlraum im Einlasskanal 10 bilden, können entweder durch Verwendung einer entsprechend geformten Gussform oder durch einen nachfolgenden Zerspanungsprozess, beispielsweise durch Ausfräsen der Ausnehmung in dem Gussgehäuse 10, hergestellt werden. Alternativ kann der Deflektor 31 ein separates Bauteil sein, das beim Zusammenbau in den Einlasskanal 12 der Zahnradpumpe eingebaut wird. Dazu kann der Deflektor 31 an die innere Oberfläche des Einlasskanals 12 geschraubt, geschweißt oder geklebt werden. Im Allgemeinen kann der Deflektor 31 selbst ein Teil sein oder aus zwei oder mehr Teilen, die miteinander gefügt werden und den Deflektor 31 bilden, zusammengesetzt sein. In jedem Ausführungsbeispiel kann der Deflektor jede geometrische Form haben und in jeder Position eingebaut sein, vorausgesetzt, dass die Form und die Position des Deflektors 31 so sind, dass der einfallende Ölstrom in einen ersten Teil und zumindest einen zweiten Teil geteilt wird, wobei der erste Teil des Flüssigkeitsstromes in den ersten Hohlraum (Ausnehmung 15a) und der zweite Teil des Flüssigkeitsstromes in den zweiten Hohlraum (Ausnehmung 15b oder Einbuchtung 15b’, siehe 3 bis 6) gelenkt wird.
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6 zeigt ein Beispiel des Gehäusedeckels 11. Wie in 6 zu sehen ist, kann die innere Oberfläche des Gehäusedeckels 11 Buchsen aufweisen, die Teile von Gleitlagern 25, 26 der jeweiligen Zahnräder 20, 21 bilden. Die innere Oberfläche des Gehäusedeckels 11 umfasst weiter die Ausnehmung 15a, die den Hohlraum axial oberhalb der Zahnrädern 20, 21 bildet (siehe 5B). Darüber hinaus zeigt 6 den zweiten, an der inneren Oberfläche des Gehäusedeckels 11 angeordneten Deflektor 32. Im vorliegenden Beispiel ist der Deflektor 32 ein integraler Bestandteil des Gehäusedeckels 11, wobei Gehäusedeckel 11 und Deflektor 32 in einem Stück hergestellt sind. Zum Beispiel kann der Gehäusedeckel 11 genauso wie der Körper des Gehäuses 10 aus Gusseisen oder Aluminiumguss hergestellt sein. Die Ausnehmung 15a kann jedoch auch durch einen nachfolgenden Zerspanungsprozess, z.B. durch Einfräsen der Ausnehmung in den gegossenen Gehäusedeckel 11 hergestellt werden.
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Obwohl die Erfindung anhand von einer oder mehreren Ausführungen gezeigt wurde, können Veränderungen und/oder Modifikationen an den dargestellten Beispielen durchgeführt werden ohne dabei über Sinn und Umfang der beigefügten Ansprüche hinauszugehen. Insbesondere im Hinblick auf die verschiedenartigen Funktionen der oben beschriebenen Komponenten und Aufbauten (Einheiten, Baugruppen, Vorrichtungen, Schaltungen, Systeme, etc.), sollen die Begriffe (Verweise auf “Methoden” eingeschlossen), die zur Bezeichnung derartiger Komponenten verwendet werden – sofern nichts anderes angegeben wurde – für alle Komponenten und Aufbauten, die die angegegebene Funktion der beschriebenen Komponente erfüllen, verwendet werden. Dies gilt selbst dann, sofern sie im Aufbau nicht mit dem beschriebenen Aufbau gleichwertig sind, der die Funktion in den hierin dargestellten beispielhaften Ausführungen der Erfindung darstellt.
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Zusätzlich kann ein Merkmal der Erfindung, solange es im Hinblick auf eine oder mehrere Ausführungen offenbart wurde und es für jede oder eine spezielle Anwendung wünschenswert oder vorteilhaft sein kann, mit einem oder mehreren Merkmalen der anderen Ausführungen kombiniert werden.