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Exzenterschneckenpumpen setzten sich aus einem rohrförmigen Stator und einem darin laufenden Rotor zusammen. Der Rotor hat die Gestalt einer Schraube, die sich in dem ebenfalls als Schraube ausgebildeten Innenraum des Stators dreht. Die Anzahl der Gewindegänge des Stators ist größer als die des Rotors, so dass die Gewindegänge von Stator und Rotor zusammen wenigstens eine sichel- oder bananenförmige Kammer definieren, die sich bei der Drehung des Rotors in Förderrichtung bewegt.
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Um das Abdichten zwischen dem Stator und dem Rotor zu gewährleisten, ist der Stator mit einer elastomeren Auskleidung versehen, die nachgiebig von den Gewindespitzen des Stators verformt wird.
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Mit der Hilfe derartiger Pumpen werden zähflüssige und/oder aggressive Medien, die gegebenenfalls auch feste Partikel enthalten gefördert. Das Transportieren der Medien mit Hilfe der Exzenterschneckenpumpe und die Reibung zwischen Rotor und Statorinnenwand führen zu Scherkräften an der Auskleidung. Insbesondere an den Enden des Stators, dort wo die Auskleidung aufhört, neigt die Scherwirkung dazu, den stoffschlüssigen Verbund zwischen der Auskleidung und dem Mantel des Stators aufzulösen. Außerdem bietet sich hier dem Medium eine Angriffsstelle zum Auflösen der stoffschlüssigen Verbindung zwischen der Auskleidung und dem Statormantel. Sobald die stoffschlüssige Verbindung aufgehoben ist, tritt Medium in diesen Spalt ein, was zur alsbaldigen Zerstörung des Stators führt. Besonders gefährlich ist überhitztes Wasser, wie es beim Pumpen von Öl aus ölhaltigen Sandschichten auftritt.
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Ein weiteres Problem ist das Fördern von aggressiven Medien, die im allgemeinen die elastomere Auskleidung nicht angreifen, jedoch das sonstige Material des Stators. Auch hier ist die Übergangsstelle zwischen dem Stator und den übrigen Gehäuseteilen der Exzenterschneckenpumpe kritisch.
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In der Vergangenheit hat man versucht diese Probleme durch die Verwendung von zusätzlichen Dichtungen im Anschlussbereich einigermaßen in Griff zu bekommen. Es hat sich gezeigt, dass damit langfristig weder das Ablösen der Auskleidung von dem Mantel noch die Korrosion des Mantels in den Griff zu bekommen sind.
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Ähnliche Verhältnisse liegen bei Exzenterpumpen vor, wie sie im Untertagebetrieb angewendet werden, wobei hier der Rotor mit Hilfe des unter Druck einströmenden Mediums in Umdrehungen versetzt wird. Die dabei auftretenden sehr hohen Drücke und das Medium neigen ebenfalls dazu, die Auskleidung abzulösen, indem sie in den Bereich zwischen der Auskleidung und dem Mantel eindringen.
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Die
DE 298 22 365 U1 zeigt eine Exzenterschneckenpumpe mit einem rohrförmigen Stator, der an beiden Seiten mit radial wegstehenden Flanschen versehen ist, um den Stator anzuschließen. Das Innere des Stators ist mit einer elastomeren Auskleidung versehen, die an allen Stellen die gleiche Wandstärke aufweist. Zwecks Abdichtung ist die elastomere Auskleidung einstückig bis auf die Stirnflächen der Flansche durchgezogen. Dadurch wird gleichzeitig im montieren Zustand dafür gesorgt, dass der Fügespalt zwischen der elastomeren Auskleidung und dem Stator in dem druckfreien Bereich nach außen verlegt ist. Die Gefahr einer Ablösung der elastomeren Auskleidung an den Enden des Stators besteht nicht.
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Da die Auskleidung als solche relativ weich ist und auch auf den Stirnflächen der Flansche eine entsprechende Dicke haben muss, wird die mechanische Verbindung dort entsprechend weich.
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Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung eine Exzenterschneckenpumpe zu schaffen, bei der die Auskleidung des Stators gegen Ablösen von der Statorwand geschützt ist, ohne dass die Auskleidung bis auf die Flanschfläche durchgezogen werden muss.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Exzenterschneckenpumpe bzw. den Exzenterschneckenmotor mit dem Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß ist eine interne Schutzeinrichtung vorgesehen, die das Ablösen der Auskleidung verhindern soll.
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Der Mantel des Stators besteht vorzugsweise aus Stahl oder einer Stahllegierung, was einerseits günstige Herstellungskosten und andererseits eine hohe Festigkeit gewährleistet.
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Der Stator kann entweder so gestaltet sein, dass der Mantel ein zylindrisch glattes Rohr ist und lediglich eine elastomere Auskleidung die Schraube bildet, oder die Innenwand des Mantels hat bereits eine schraubenförmige Gestalt und die Auskleidung ist mit konstanter Wandstärke aufgetragen. Im ersteren Falle ergibt sich eine geringere Reibung und damit eine geringere Antriebskraft, während mit der anderen Ausführungsform höhere Drücke zu erzielen sind.
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Die Anschlussmittel können entweder von einem zylindrischen Innengewinde oder von einem Anschlussflansch gebildet sein.
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Die Schutzeinrichtung kann eine zylindrische Gestalt oder die Gestalt eines scheibenformigen Ringes haben.
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Um die zylindrische Gestalt der Schutzeinrichtung wirksam im Mantel festzuhalten, ist zweckmäßigerweise ein Spreiz- oder Spannring vorgesehen, der die Auskleidung gegen den zylindrischen Teil des Mantels anpresst. Das Spann- oder Spreizelement hat die Gestalt eines geschlossenen Rings oder die Gestalt einer mehrgängigen Schraube. Im ersteren Falle wird das Spannelement durch axiales Pressen eingesetzt während im anderen Falle der Spannring ähnlich einer Uhrwerksfeder aufgezogen werden kann, so dass sich der Durchmesser verringert, wodurch es möglich wird, das Spannelement ohne Axialkraft in die Auskleidung einzusetzen.
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Im übrigen sind Weiterbildungen der Erfindung Gegenstand von Unteransprüchen.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung dargestellt. Es zeigen
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1 eine Exzenterschneckenpumpe gemäß der Erfindung in einer perspektivischen, schematischen Darstellung
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2 den Stator der Exzenterschneckenpumpe in einem Langsschnitt,
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3 ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel für den Stator der Exzenterschneckenpumpe nach 1 ebenfalls in einem Längsschnitt,
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4 und 5 zwei unterschiedliche Spannelemente fur den Stator nach 3.
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1 zeigt in einer schematisierten, perspektivischen Darstellung eine Exzenterschneckenpumpe 1. Zu der Exzenterschneckenpumpe 1 gehören ein Pumpenkopf 2, ein Stator 3, in dem sich ein in 2 abgebrochen veranschaulichter Rotor 4 dreht, sowie ein Anschlusskopf 5.
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Der Pumpenkopf 2 weist ein im wesentlichen zylindrisches Gehäuse 6 auf, das an einem Stirnende mit einem Abschlussdeckel 7 versehen ist, durch den abgedichtet eine Antriebswelle 8 nach außen geführt ist. In das Gehäuse 6 mundet radial ein Anschlussstutzen 9, der an einem Befestigungsflansch 11 endet. Im Inneren des Gehäuses 6 befindet sich, wie bei wie bei Exzenterschneckenpumpen üblich, ein Kupplungsstück, um die Antriebswelle 8, die an einen nicht dargestellten Antriebsmotor angeschlossen ist, mit dem Rotor 4 drehfest zu kuppeln.
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Das von dem Deckel 7 abliegende Stirnende des Gehäuses 6 ist mit einem Spannflansch 12 versehen, dessen Durchmesser größer ist als der Durchmesser des im wesentlichen zylindrischen Gehäuses 6. Der Spannflansch 12 enthält eine Stufenbohrung 13, die mit dem Innenraum des Gehäuses 6 fluchtet. In der Stufenbohrung ist eine nicht erkennbare Anlageschulter ausgebildet, gegen die der Stator 3 mit einem Ende angepresst wird.
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Der Anschlusskopf 5 verfügt über einen mit dem Spannflansch 12 zusammenwirkenden Spannflansch 14, der ebenfalls eine Stufenbohrung enthält, in der das andere Ende des Stators 3 eingesetzt ist. Mit der Stufenbohrung fluchtet eine wegführende Rohrleitung 15.
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Zwischen den beiden Spannflanschen 12 und 14 ist mit Hilfe von insgesamt 4 Zugankern 16 der Stator abgedichtet festgespannt. Zur Aufnahme der insgesamt 4 Zuganker 16 sind die beiden Spannflansche 12 und 14 mit jeweils vier miteinander fluchtenden Bohrungen 17 versehen, die auf einem Teilkreis liegen, der größer ist als der Außendurchmesser des Gehäuses 6 bzw. des Rohres 15. Durch diese Bohrungen 17 führen die stangen-förmigen Zuganker 16 hindurch. Auf der von dem gegenüberliegenden Spannflansch 12 bzw. 14 abliegenden Seite sind auf die Zuganker 16 Muttern 18 aufgeschraubt, mit deren Hilfe die beiden Spannflansche 12 und 14 aufeinander zu festgezogen werden.
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Der Stator 3 besteht, wie 2 zeigt aus einem rohrförmigen Mantel 19 mit konstanter Wandstärke, der einen Innenraum 20 umgibt. Der Mantel 19 besteht aus Stahl, einer Stahllegierung, Leichtmetall oder einer Leichtmetalllegierung. Er ist so geformt, dass seine Innenwand 21 die Außengestalt einer mehrgängigen Schraube bekommt. Seine Außenseite 22 hat eine entsprechend ähnliche Gestalt mit einem Durchmesser, der entsprechend der Wandstärke des Mantels 19 großer ist als der Durchmesser des Innenraums des Mantels 19.
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Der Mantel 19 endet an seinen Stirnenden mit Stirnflächen 23 und 24, die bezüglich einer Längsachse 25 rechtwinkelig verlaufen. Die Längsachse 25 ist auch die Achse des Mantels 19, bzw. des Innenraums 20.
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Im einfachsten Falle einer zweigangigen Schraube hat der Querschnitt des Innenraums 20 und damit auch der Querschnitt, den die Außenfläche 22 umgibt, jeweils rechtwinkelig zu der Längsachse 25 gesehen, die Gestalt eines Ovals ähnlich einer Rennbahn. Um diese ovale Geometrie an die Stufenbohrung 13 anzupassen, sitzt auf dem Mantel 19 auf jedem Stirnende ein Abschluss- oder Reduzierring 26. Der Abschlussring 26 enthält eine Durchgangsöffnung 27, die mit dem Verlauf der Außenfläche 22 über die Länge des Abschlussrings 26 übereinstimmt. Mit anderen Worten, der Abschlussring 26 wirkt im weitersten Sinne wie eine Mutter, die auf das Gewinde, das durch den Mantel 19 definiert ist, aufzuschrauben ist. Die Länge des Gewindes entspricht der Dicke des Abschlussringes 26.
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Radial nach außen wird der Abschlussring 26 von einer Zylinderfläche 28 begrenzt, die in axialer Richtung in eine Planfläche 29 übergeht, die von dem Mantel 19 weg zeigt.
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Beide Abschlussringe 26 sind identisch gestaltet, obwohl die Wandstärke des Abschlussrings 26 auf der linken Seite der Figur in der Schnittdarstellung kleiner ist als die Wandstärke des Abschlussrings 26 auf der rechten Seite. Dies hat seine Ursache darin, dass die Querschnittsprofile an der Stirnfläche 23 gegenüber der Querschnittsfläche an der Stirnfläche 24 um 90° gedreht sind.
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Beide Abschlussringe 26 stehen mit ihrer Planfläche 29 geringfügig über die benachbarte Stirnfläche 23 bzw. 24 über. In dem so entstehenden Kehlbereich zwischen der Wand der Bohrung 27 und der Stirnfläche 23 bzw. 24 befindet sich eine umlaufende Schweißnaht 31, über die der jeweilige Abschlussring 26 mit der Stirnfläche 23 bzw. 24 stoffschlüssig verbunden ist.
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Auf der Innenseite 21 ist der Mantel 19 über seine gesamte Länge mit einer durchgehenden Auskleidung 32 versehen. Die Auskleidung 32 besteht aus einem elastomeren Material beispielsweise Gummi und weist an jeder Stelle dieselbe Wandstärke auf.
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An beiden Stirnenden des Mantels 19 geht die Auskleidung 32 jeweils einstückig in eine Dichtung 33 bzw. 34 über. Die Dichtung 33 bzw. die Dichtung 34 hat jeweils die Gestalt eines planen Rings, dessen Außenumfangsfläche 35 mit der Außenumfangsfläche 28 des jeweiligen Abschlussrings 26 bündig ist. Die eine Seite der Dichtung 34 ist stoffschlüssig mit der Planfläche 29 des betreffenden Abschlussrings 26 verbunden, während die davon abliegende Planfläche von dem Stator 3 weg zeigt.
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Wenn der gezeigte Stator 3 in die Stufenbohrungen 13 der beiden Spannflansche 12, 14 eingesteckt wird, liegt die betreffenden Dichtung 33, 34 auf der Schulter in der Stufenbohrung 13 auf. Durch anspannen der Zuganker 16 werden die Spannflansche 12 und 14 mit ihren Schultern dichtend gegen die Dichtungen 33 und 34 angepresst.
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Der Rotor 4, der sich in der Auskleidung 32 dreht, erzeugt eine ständige Walkarbeit und ist bestrebt die Auskleidung 32 in seiner Drehrichtung mitzunehmen. Wegen der dichtenden Anlage und der Vorspannung, mit der der Rotor 4 an der Auskleidung 32 anliegt und diese verformt, schiebt der Rotor 4 während seiner Drehbewegung ständig Material der Auskleidung 32 in Umfangsrichtung vor sich her. Dies fuhrt zu der oben erwähnten Walkarbeit und der Mitnahmewirkung in Umfangsrichtung.
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In einem mittleren Bereich der Auskleidung 32 ist jedes Volumenelement der Walkzone jeweils durch angrenzende Bereiche der Auskleidung in axialer und in Umfangsrichtung festgehalten.
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Ein am Rand liegendes Volumenelement weist, wenn der Stator nicht gemäß 2 ausgeführt ist, eine freie Seitenkante auf, an der die Walkkräfte ausschließlich durch den stoffschlüssigen Verbund des Volumenelements aufgenommen werden. Es gibt hier kein benachbartes Volumenelement, das die Kräfte mit aufnimmt, weshalb am Rand eine erhöhte Gefahr besteht, dass durch die Walkarbeit die stoffschlüssige Verbindung zwischen der Auskleidung 32 und dem Mantel 19 aufgelost wird. Damit wurde in diesem Bereich die Auskleidung 32 lose und der Effekt, der ursprünglich nur am Ende der Auskleidung 32 aufgetreten ist, verlagert sich zunehmend in Richtung auf die axiale Mitte d. h. in Richtung auf das andere Stirnende des Stators 3.
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Sobald die stoffschlüssige Verbindung geschädigt ist, dringt zu förderndes Medium zwischen die Auskleidung 32 und die Innenseite des Mantels 19 an den abgelösten Stellen ein, was ein fortschreitenden des Ablösungsprozesses in Längsrichtung des Stators 3 beschleunigt.
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Die einstückig angeformten Dichtungen 33 und 34 verhindern diesen Effekt. Sie sorgen dafür, dass für ein Volumenelement der Auskleidung 32 auch an den Stirnenden ähnliche Befestigungsverhältnisse herrschen, wie in einem von dem Stirnende abliegenden mittleren Bereich.
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3 zeigt ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel des Stators 3, bei dem der Schutz für die stoffflüssige Verbindung zwischen Auskleidung 32 und Mantel 19 im Vordergrund steht.
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Der Mantel 19 ist an seinen beiden Stirnenden jeweils mit einem kurzen zylindrischen Abschnitt versehen. An jede der beiden Stirnflächen 23, 24, die nunmehr exakt kreisförmig verlaufen, ist ein rohrförmiges, zylindrisches Anschlussstück 38, 39 angeschweißt. Die Schweißnaht ist bei 41 bzw. 42 zu erkennen. Jedes Anschlussrohrstück 38, 39 enthält ein Innengewinde 43, dass am außenliegenden Stirnende beginnt und ein Stück weit in das Anschlussrohrstück 38 bzw. 39 hineinführt. Am innenliegenden Ende bildet jedes Anschlussrohrstück 38, 39 eine zylindrisch glatte Fläche bzw. 45. Die Auskleidung 32 ist, wie 3 erkennen lässt, einstückig bis in diesen zylindrischen Bereich 44 bzw. 45 vorgezogen und endet in einer Kegelfläche 46 bzw. 47 vor dem innenliegenden Ende des jeweiligen Gewindes 43. Der mit den zylindrischen Flächen 44 und 45 korrespondierende Bereich 48 bzw. 49 der Auskleidung ist ebenfalls kreisrund zylindrisch. Sie ist dort frei von dem schraubenförmigen Profil, das die Auskleidung 32 zwischen diesen beiden Bereichen 48 und 49 aufweist. Die lichte Weite der zylindrischen Abschnitte 48 und 49 ist größer als der Maximaldurchmesser des schraubenförmigen Querschnittsprofils, das von der Auskleidung 32 umschlossen ist.
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Durch diesen geraden Auslauf wird bereits verhindert, dass dort bei der Rotation des Rotors 4 Walkarbeit entsteht. Um die stoffflüssige Verbindung zusätzlich zu schützen und abzudichten, werden in die beiden zylindrischen Abschnitte 48 und 49 Spannelemente 51 eingesetzt, wie sie in 4 gezeigt sind. Jeder Spannring 51 besteht aus einer zylindrischen Hülse 52, die auf ihrer Außenumfangsseite zwei wulstartige Rippen 53 trägt, die in Umfangsrichtung umlaufen.
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Bei der Herstellung wird von jedem Ende her in den Stator 3 ein derartiger Spannring 51 eingepresst, so dass er nach dem Einsetzen die Auskleidung 32 im Bereich der zylindrischen Abschnitte 48 und 49 fest gegen die zylindrischen Flächen 44 und 45 anpresst. Zusätzlich zu der stoffflüssigen Verbindung, wird die Auskleidung 32 dort durch die Spannringe 51 angepresst gehalten. Selbst wenn die stoffflüssige Verbindung in diesem Bereich nicht perfekt sein sollte, wird sie dort von den Spannringen 52 Reibschlussverbindung mit den zylindrischen Flächen 44 und 45 festgehalten. Außerdem entsteht eine verbesserte Abdichtung.
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Der Stator 3 nach 3 wird mit Hilfe der Anschlussrohrstücke 38, 39 mit den übrigen Gehäuseteilen verschraubt. Die Gehäuseteile weisen hierzu mit Außengewinde versehene rohr-förmige Fortsätze auf, die an der freien Stirnseite mit einer Kegelfläche versehen sind, die zu der Kegelflache 46 bzw. 47 der Auskleidung 32 komplementär ist. Beim Festschrauben kann so eine zusätzliche Abdichtung erzielt werden.
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5 zeigt ein Spannelement 51, das sich ohne Axialkraft in die zylindrischen Abschnitte 48 und 49 einsetzen lässt. Das Spannelement 51 nach 5 zeigt die Gestalt einer zylindrischen Schraubenfeder mit mehreren in axialer Richtung voneinander getrennten Windungen 54. Die Schraubenfeder endet bei zwei Windungsenden 55 und 56, die zur Aufnahme eines Werkzeugs geeignet sind. Wenn mit Hilfe eines Werkzeugs die Ende 55 und 56 im Wicklungssinn aufeinander zu bewegt werden, verringert sich entsprechend der Außendurchmesser des Spannelementes 51. Je nach dem wie weit auf diese Weise die Feder aufgezogen wird, kann ihr Außendurchmesser auf einen Durchmesser verringert werden, der kleiner ist als der Innendurchmesser der unbelasteten zylindrischen Abschnitte 48 und 49. Damit lässt sich das Spannelement 51 ohne Axialkraft einsetzen. Wenn die Enden 55 und 56 sodann freigegeben werden, ist das Spannelement 51 bestrebt die ursprüngliche Gestalt mit großem Durchmesser anzunehmen und druckt dabei die Auskleidung 32 radial nach außen fest gegen die zylindrischen Abschnitte 44 und 45.
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Die erfindungsgemäße Lösung wurde oben anhand von Statoren erläutert, bei denen sowohl der Mantel 19 als auch die Auskleidung 32 jeweils eine konstante Wandstärke haben. Die Anwendung der einstückig angeformten Dichtungen bzw. Schutzeinrichtungen ist jedoch hierauf nicht beschränkt. Sie können ebenfalls bei Statoren eingesetzt werden, bei denen der Mantel ein glattes zylindrisches Rohr und die Auskleidung auf der Außenseite zylindrisch ist während sie lediglich auf der Innenseite den schraubenförmigen Verlauf zeigt.
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Die erfindungsgemaße Ausführung des Stators 3 wurde oben ausführlich anhand einer Exzenterschneckenpumpe als Anwendungsbeispiel erläutert. Der Fachmann weiß jedoch, dass eine Exzenterschneckenpumpe auch als Motor betrieben werden kann, wenn ein Medium mit hohem Druck durch den Stator 3 hindurch gepresst wird. Auch in diesem Falle bestehen die gleichen Probleme, wie sie oben anhand der Exzenterschneckenpumpe erläutert wurden.
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Bei einer Exzenterschneckenpumpe bzw. einem Exzenterschneckenmotor 1 sind an den Stirnenden des Mantels 19 Schutzeinrichtungen 33, 34 vorhanden. Hierdurch kann ein Ablösen der stoffschlüssigen Verbindung zwischen dem Mantel 19 und der Auskleidung 32 wirksam verhindert werden.