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Vorrichtung mit umlaufendem Verdränger Die Erfindung bezieht sich
auf Vorrichtungen mit umlaufendem Verdränger. Solche Vorrichtungen können z.B. als
Pumpen, Kompressoren oder Motoren AnWendung finden.
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Bei zaNteichen Anwendungen messen die Maximalbeanspruchungen, die
auf die Kolben solcher Vorrichtungen wirken können, in Abhängigkeit von der Festigkeit
der Stange vermindert werden, die den Kolben mit irgendeiner Welle verbindet. Durdh
Vermeidung der Verwendung solcher Verbindungsstangen kann eine der Hauptquellen
für Versagen beseitigt werden. Dies wurde in einem Hydraulikmotor mit einem mit
Radialbohrungen versehenen Rotor dadurch erreicht, daß rund um den Motor eine stationäre
Führung vorgesehen und die Anordnung sörgetroffen wurde, daß die Aussenenden der
Kolben
bei umlaufendem Rotor entlang der Führung laufen. Der Abstand zwischen der Führung
und der Umlaufachse oder Drehachse des Rotors war an den verschiedenen Stallen entlang
der FÜhrung unterschiedlich, so daß die der Führung folgenden Kolben bei umlaufendem
Rotor innerhalb ihrer Bohrungen hin- und herbewegt wurden. Obwohl solche Systeme
wirksam arbeiten, führen die auf die Führung wirkenden hohen Kräfte zu schnellem
Bruch oder Versagen der Oberfläche.
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Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung mit umlaufendem Verdränger
vorgeschlagen, die einen um eine Achse drehbaren Rotor besitzt, der eine oder mehrere
Radialbohrungen und einen verschiebbar in jeder Bohrung sitzenden Kolben hat, dessen
Krone nach innen gerichtet ist, wobei rund um den Rotor in Fluchtung mit den Bohrungen
ein Führungskörper angeorndet ist, der mit den Kolben in Arbeitsberührung kommen
kann, um deren Verschiebung nach aussen zu begrenzen; der Führungskörper ist dabei
mit dem Rotor synchron in einer Ebene drehbar, die rechtwinklig zu der Drehachse
des Rotors steht.
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Bei Umlauf des Rotors werden die Kolben innerhalb ihrer sie umgebenden
Bohrungen herumgetragen, wobei sie durch die auf sie wirkende Zentrifugalkraft gegenüber
der Bohrung nach aussen bewegt werden, bis diese Auswärtsbewegung durch den Führungskörper
begrenzt wird. Die Zentrifugalkraft kann z.B. durch eine Feder oder durch Fluiddruck
auf die Kolbenkronen unterstützt werden, wie es die Umstände diktieren. Der geometrische
Ort jedes Kolbens während des Umlaufens des Rotors wird durch den qeometrischen
Ort des Führungsköypes bestimmt, dessen Ort beispielsweise
ein Kreis
sein kann, der exzentrisch zur Achse des Rotors liegt, oder auch eine Ellipse, die
so angeordnet ist, daß für jede Umdrehung des Rotors vier Kolbenhübe erhalten werden.
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Der Führungskörper ist vorteilhaft um eine Achse drehbar, die parallel
zur Drehachse des Rotors, jedoch gegenüber dieser versetzt liegt, so daß der geometrische
Ort der Kolben dementsprechend die Form eines Kreisbogens annimmt, der exzentrisch
zur Drehachse des Rotors liegt, wobei die Exzentrizität der Kreisbahnen eine Gleitbewegung
der Kolben innerhalb der zugehörigen Bohrungen verursacht.
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Der Rotor hat vorteilhaft eine ungerade Zahl von Bohrungen, im allgemeinen
wenigstens drei Bohrungen, wobei die Zahl der Bohrungen zweckmäßig fünf, sieben
oder neun beträgt. Die obere Grenze für die Anzahl der Bohrungen in irgendeiner
einzelnen Ebene wird weitestgehend durch die mechanischen Abmessungen der Vorrichtung
bestimmt, jedoch kann man bis zu einem gewissen Grad Abhilfe schaffen, indem man
die Bohrungen versetzt oder indem man sie in zwei oder mehr parallelen Ebenen anordnet.
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Die Innenoberfläche des Führungskörpers hat vorteilhaft eine ebene
Stelle in Fluchtung mit jeder Bohrung derart, daß sie das Aussenende des innerhalb
der zugehörigen Bohrung befindlichen Kolbens erfaßt. Die ebene Stelle sollte länger
als die Breite des Kolbens sein, und zwar wenigstens um einen Betrag, der ausreicht,
um die reaktiven seitlichen Rsegungen zwischen der ebenen Stelle und dem Kolben
zuzulassen, die durch die unterschiedlichen Drehachsen von Führungskörper und Rotor
bedingt sind, und dementsprechend zwischen dem Körper und den Bohrungen, in
denen
die Kolben sich verschieben. Die ebenen Stellen liegen vorzugsweise orthogonal zur
Achse der entsprechenden Bohrung.
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Die Bohrungen sind beim Umlauf des Rotors der Reihe nach mit Einlaß-
und Auslaßöffnungen verbunden; die Art der Offnungssteuerung und das Ventilsystem
sind jedoch nicht kritisch.
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Welches Sy tem optimal ist, hängt von den Umständen und der gewünschten
Anwendung ab. So kann beispielsweise das Innenende der Radialbohrungen mit nockenbetätigten
Hin- und hergehenden Ventilen versehen werden; solche Ventile können insbesondere
dann nützlich sein, wenn die Arbeitszyklen erfordern, daß die Bohrungen in einer
Häufigkeit mit den Öffnungen in Berührung kommen, die kleiner als eie für eine Umdrehung
des Rotors ist, z.B. bei einer Vorrichtgung, die zwei Umdrehungen des Rotors (und
vier Kolbenhübe) benötigt, um jeden Arbeitszyklus zu vollenden. Solche hin- und
hergehenden Ventile befinden sich vorteilhaft an den Innenenden der Bohrungen, so
daß sie durch eine Nockenwelle betätigbar sind, die durch die Mitte des ringförmigen
Rotors läuft, wobei die Welle für eine Vorrichtung, die eine Umdrehung des Rotors
für einen vollständigen Arbeitszyklus benötigt,stationär ist, während sie mit einem
vorbestimmten vielfachen oder einem Bruchteil der Umlaufrate des Rotors, z.B. init
der halben Geschwindigkeit des Rotors umläuft, wenn die Vorrichtung zwei Umdrehungen
des Rotors pro Arbeitszyklus benötigt. Die Öffnungen können dann vorteilhaft in
Form von Ringkanälen in einem Leitungskörper vorgesehen sein, der auf der Seite
des Motors sitzt, während die Bohrungen an die Öffnungen durch geeignete Kanäle
angeschlossen sind, die die Ventile aufweisen Bevorzugt wird jedoch eine Vorrichtung,
die
eine Umdrehung des Rotors für die Vervollständigung eines Arbeitszyklus benötigt.
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Bei einer bevorzugten Vorrichtung, die eine einzige Rotorumdrehung
pro Zyklus besitzt, ist der Rotor ringförmig und sind die Innenenden der Bohrungen
zu dem Teil der Vorrichtung offen, der durch den ringfÖrmigen Rotor begrenzt wird,
wobei dieser Teil unter Bildung von zwei getrennten Kammern unterteilt ist,'die(z.B.
durch Anschluß an eine geeignete Leitung) als Einlaßöffnung bzw. als Auslaß-öffnung
dienen können.
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Die Mündungen der Bohrungen, d.h. ihre offenen Innenenden können voll
geöffnet sein oder begrenzt geöffnet, je nach Bedarf, d.h.
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je nach den Bedingungen; so kann z.B. jede Mündung mit einem Venturiabschnitt
versehen sein. Bezüglich der Aussenränder der die beiden Kanäle trennenden Trennwände,
d.h. die Ränder, die neben dem Rotor liegen und die Bohrungsmündungen schließen,
ist die theoretische Minimaldicke im wesentlichen der Durchmesser der Bohrungsmündungen,
so daß kein direkter Durchfluß zwischen den Kanälen über eine passierende Bohrung
stattfinden kann. Jedoch tritt in der Praxis wahrscheinlich ein Durchfluß oder ein
Leckverlust auf, sofern nicht die Dicke der Trennwand vergrößert wird; es sollte
die Minimaldicke das 1,5- bis 2-fache der Mündungsdurchmessers vorteilhaft betragen.
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Die optimale Querschnittsform der Trennwand wird in der Hauptsache
durch die Komprimierbarkeit des Materials bestimmt, für die die Vorrichtung zu verwenden
ist. Bei der Handhabung von unkompressiblen Flüssigkeiten sollten beide Aussenränder
der Trennwand so dünn wie möglich sein unter Beachtung der Verträglichkeit
mit
der vorgenannten Minimaldicke, wobei die Anordnung so getroffen sein sollte, daß
die Mündungen geschlossen werden, wenn die Kolben das untere Totpunktzentrum bzw.
das obere Totopunktzentrum passieren, so daß jegliche Volumenänderungen in geschlossenen
Bohrungen auf ein Minimum reduziert werden. Werden andererseits kompressible Fluids,
z.B. Dampf oder Luft gehandhabt, wird es bevorzugt, daß der Rand der Trennwand neben
der Lage des unteren Totpunktzentrums auf Kosten des Kanals verbreitert wird, der
das Fluid unter dem höheren Druck aufnimmt. Bei einem Kompressor kann das Volumen
des Fluids mit dem geringeren Druck innerhalb der Bohrung isoliert werden, indem
die Bohrungsmündung durch die Trennwand verschlossen wird, wobei dann das Fluid
innerhalb der Bohrung beim Wandern des Kolbens nach innen komprimiert wird, bis
es schließlich unter erhöhtem Druck in die Austrittsöffnung gepreßt wird, wenn die
Mündung der Bohrung die Trennwand verläßt. Wird ein gasbetriebener Motor verwendet,
kann es zweckmäßig sein, für eine Expansion von Gasproben durch verlängertes Schließen
der Bohrungsmündungen durch die Trennwand zu sorgen, beispielsweise über ca. ein
iertel einer Umdrehung, so daß man einen hohen Gesamtwirkungsgrad erhält; es kann
jedoch eine höhere Leistung auf Kosten des Wirkungsgrads erhalten werden, indem
man entsprechend den vorbeschriebenen Darlegungen bezüglich der Handhabung von unkompressiblen
Flüssigkeiten eine dünne Trennwand vorsieht.
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Die Form des Rests der Trennwand ist nicht kritisch, es sind jedoch
selbstverstMndlich solche Formen ganz deutlich von Vorteil, die maximalen Durchfluß
bei minimalen Enerqieverlusten gewährleisten.
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Eine spezifische Ausführungsform der Erfindung, die durch eine äussere
Einrichtung angetrieben werden kann und als Gaskompressor benutzbar ist, wird nunmehr
unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert, die einen Querschnitt durch den Kompressor
zeigt.
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Der Kompressor hat einen zentralen Achsstift 1 mit Kreisquerschnitt,
der an eine Basisplatte oder Grundplatte (nicht gezeigt) angebracht ist. Die Aussenoberfläche
des Achsstifts hat zwei Nuten 2, 3, die sich entlang dem Stift in Richtung von der
Querschnittsebene weg erstrecken und die Einlaß- und Aus daß öffnungen des Kompressors
bilden. In der Ebene des Schnitts sind die Nuten offen, wobei jedoch das Ende des
Stifts eine Hülse 4 aufweist, die die Nuten überdeckt, um zwei getrennte Kanäle
zu bilden, wenn die Nuten den Bereich der Bohrungen 12 gemäß nachfolgender Beschreibung
verlassen. Die Enden der so gebildeten Kanäle sind an geeignete Leitungen (nicht
gezeigt) für die Nieder- und Hochdruckströme angeschlossen. Die Nuten enden an der
der Hülse gegenüberliegenden Seite der Bohrungen 12.
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Drehbar auf dem Stift sitzt ein ringförmiger Rotor 11 mit fünf offenendigen
Radialbohrungen 12. Die Innenoberfläche des Rotors paßt dicht um den Stift, so daß
eine Dichtung gegen Entweichen von Gas entlang dem Stift und (weniger kritisch)
zwischen benachbarten Bohrungen erhalten wird. Die Nuten 2, 3 sind so angeordnet,
daß sie mit den Bohrungen in Verbindung kommen, sie sind jedoch von der Hülse 4
überdeckt, bevor sie sich über die Dichtwirkung des Rotors hinauserstrecken. Somit
wird durch den Achsstift die Trennwand gebildet, die den Teil der Vorrichtung in
zwei getrennte Kammern unterteilt, der von dem ringförmigen Rotor begrenzt wird.
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In jeder Bohrung 12 sitzt verschiebbar ein Kolben 13, dessen nach
innen weisende Krone zylindrisch gekrümmt ist und der Xrümmung der Stiftoberfläche
entspricht. Die Kolben haben an ihrem Aussenende eine Schürze 14, die eine nach
aussen welsende ebene Oberfläche 15 hat, wobei die Schürzen in Richtungen rechtwinklig
zur Schnittebene verlängert sind, wobei die Schürzen Seienflächen haben, @@@ eben
sind und mit der Seite des Rotors bündig sind. Die Schürzen gestatten es, daß sich
die Kolben in Richtung auf den Stift soweit bewegen, bis die gekrümmte Oberfläche
der Krone eine Verlängerung der nach innen weisenden Oberfläche des Rotors bildet.
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In Lagern (nicht gezeigt) ist ein Führungskörper 21 drehbar gelagert,
der sich um eine Achse x dreht, die gegenüber der Drehachse y des Rotors versetzt
ist, so daß der Führungskörper exzentrisch um den Umfang des Rotors sitzt und Seiten
ha, die sich auf beiden Seiten des Rotors nach innen eretrecken. Der Fünrungskörper
ist an den Rotor gekoppelt, so daß beide synchron in derselben Ebene um ihre gegenseitig
versetzten, jedoch parallelen Achsen x, y rotieren, wenn der Führungskörper durch
eine äussere Einrichtung gedreht wird, z.B. durch einen Kurzschlußläufermotor über
einen Antriebsgurt, der sich um den Führungskörper erstreckt.
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Die Innenoberfläche des Führungskörpers hat fünf flache Stellen oder
ebens Stellen 22, die jeweils so angeordnet sind, daß sie orthogonal zu der benachbarten
Bohrung des Rotors liegen, wobel die Schürze jedes Folbens mit der zugehörigen ebenen
Stelle
22 des Führungskörpers in Arbeitsberührung kommt und die
ebenen Stellen länger als die Breite der Schürzen sinu. Die verlängerten Abschnitte
der Schürzen kommen ebenfalls mit den Seiten des führungskörpers in Arbeitsberührung,
da sich diese zeiten in Richtung auf den Achsstift erstrecisen, so daß sich die
Kolben nicht innerhalb ihrer Bohrungen drehen können. Für das Antrei des Kompressors
werden der Rotor und der Führungskörper durch die äussere Antriebseinrichtung, z.B.
einen Kurzschlußläuferin duktionsmotor geareht, wobei die freien Kolben durch die
Zentrifugelkraft nach aussen geschleudert werden, bis dfe Schürze jedes Kolbens
mit der zugehörigen ebene Stelle in Arbeitsberührung kommt. Da die ebenen Stellen
in einem konstanten Abstand zur Drehachse des Führungskörpers bleiben, beschreibt
jeder Kolben einen angenähert kreisförmigen Weg um dieselbe Achse x. Mit Rücksicht
jedoch auf die Exzentrizität zwischen dem Rotor und dem Führungskörper sind die
Kreisbahnen der Kolben und Bohrungen entsprechend exzentrisch, mit dem Ergebnis,
daß die Ko1ffen innerhalb der Bohrungen zum Ausgleich der Exzentrizität gleiten.
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Der Zyklus beginnt für jede an der Reihe befindliche Bohrung, wenn
der zugehörige Kolben das obere Totpunktzentrum passiert; in dieser Stellung ist
die Mündung der Bohrung durch die Welle geschlossen. Wird der Rotor im tJhrzeigersinn
bei Betrachtung der Zeichnung gedreht, kommt die Bohrung in Fluchtung mit der Einlaßöffnung
2. Gleichzeitig bewegt sich die ebene Stelle, auf der der Kolben ruht, infolge der
relativen Exzentrizität von Rotor und Führungskörper vom Rotor weg, so daß sich
der Kolben von der Weile wegbewegt und Gas in die Bohrung aus der Einlaßöffnung
eintritt. Befindet sich der Kolben an seinem unteren
Totpunktzentrum,
d.h. ist am weitesten nach aussen bewegt, wird die Mündung der Bohrung durch die
Welle geschlossen und bleibt für etwa den halben Kompressionshub geschlossen bevor
ein Öffnen in die Austrittsffnung 3 erforgt, das das Auströman des Gas unter höherem
Druck gestattet. Beim Umlauf des Rotor und des Führungskörpers gleitet die Schürze
des Kolbens entlang der ebenen Stelle, mit dersiein Arbeitsberührung steht, wobei
sie die ebene Stelle bei einem zyklus des Rotors voll überquert und zurückkehrt.
Diese Bewegung ergibt sich aus der Exzentrizitä der umlaufenden Teile.
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Die minimale Umlaufgeschwindigkeit für das Halten der Kolben gegen
die ebene stelle unter der Zentrifugalkraft liegt im allgsmeinem für sich allein
auf einem unökonomisch niedrigen Pegel und liegen in der Praxis die Arbeitsgeschwindigkeiten
erheblich über diesen Minimum. Wird z.B. eine elektrische Antriebs einrichtung,
z.B. ein Kurzschlußläufermotor verwendet, beträgt eine geeignete Arbeitsgeschwindigkeit
3cooo upm; dies ist die maximale Geschwindigkeit des Elekttomotors, wenn eine Energiequelle
mit 50 Zyhlen verwendet wird. Da jedoch keine schwingenden Teile vorgesehen sind
können derartige Vorrichtungen bei geeigneter Schmierung bei sehr hohen Geschwindigkeiten
umlaufen, z.B. mit 10.000 upm im Bedarfsfall.
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Bei einigen Anwendungen wird eine beim Umlauf des rotors variable
Versetzung bevorzugt. Ist beispielsweise ein Kompressor an nen Motor mit konstanter
geschwindigkeit angeschlossen, ist es insbesondere vorteilhaft, anfänglich die Kompressionsrate
zu erhöhen und sie zu vermindern, wenn der erwünschte Druck erreicht
ist.
Dies kann dadurch er@richt werden. daß man die Exzentrizität der Drehachsen x, y
verändert, wodurch sich der @ub verändert. Alle Änderungen der Lage der Achsen erfolgen
vorzugsweise entlang einen geraden linie, die durch die Originalstellunger der Achsen
geht, so daß die Lage der Öffnungen in Bezug auf den Zyklus der Kolben ernalten
bleibt und jegliche Abweichung von der geraden Linie normalerweise nur gering ist.
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Ein weiterer Vorteil mit @entralen Öffnungen in der radialen Vorrichtung
besteht dar@@@ daß das Schmieröl durch die Zentrifugalkraft nach aussen geschleudert
wird und nicht durch die Auslaßöffnung nach aussen gepumpt wird. @bwohl die vorliegende
Vorrichtung nicht notwendig komprimiertes Gas liefert, das völlig frei von Schmiermittel
ist, führt sie jedoch weniger Schmiermittel in das Gas ein, als herkömmliche Kompressoren.
Das nach aussen geschieuderte Schmiermittel dringt zwischen die Seiten von Kolben
und Bohrung ein und liefert die Schmierung an der Grenzfläche und gelangt 2n die
durch den Führungskörper begrenzte Kammer, wo es unter den Zentrifugalkräften an
der Oberflache der Aussenwand gehalten wird Mit Rücksicht auf die ebenen Stellen
jedoch läuft das ö1 in die Ecken; dieser Effekt wird jedoch durch abrunden der Ecken
(wie in der Zeichnung) dargestellt) vermindert, wodurch die Länge jeder flachen
Stelle auf das Minimum vermindert wird, wie es für die Seitenbewegung des Kolbens
notwendig ist. Es wird bevorzugt, die Kompressoren mit ausreichenden Schmiermittel
zu versorgen, so daß sich ein Bad um die Schürze über den vollen Weg des Kolbens
ergi@t. Das Ö1 kann in das System in Form eines Sprays eingeführt wrden, der durch
das eintretende Gas befördert wird.
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Bei der dargestellten Vorrichtung haben die Kolben Kronen, die so
gekrümmt sind, daß sie dicht um die Welle im oberen Totpunktzentrum fassen, so daß
der Totraum im wesentlichen auf Null reduziert wird. Wird auf diese Weise das Spiel
auf ein Minimum vermindert, ist es notwendig, Drehung der Kolben innerhalb der Bohrungen
zu verhindern, wofür eine bevorzugte Weise verdeutlicht ist. Wo es jedoch nicht
notwendig ist, vollständig den Totraum zu vermindern, können die Kolben in ihren
Bohrungen vollständig drehbar sein. Um Schlag zwischen der Krone und der Welle zu
verhindern, wenn drehbare Kolben verwendet werden, kann entweder der Hub vermindert
werden oder es müssen alle Vorsprünge von der Krone entfernt werden (z.B. solche,
wie sie durch die zylindrische Krümmmung gebildet werden. Für freies Drehen der
Kolben wird daher eine zur Achse des Kolbens orthogonale Ebene Krone bevorzugt.
Die Drehung des freien Kolbens hat den Vorteil, daß zwischen der Kolbenschürze und
dem Führungskörper eine besonders glatt geläppte Grenzfläche liefert, wodurch die
Lebensdaur der einzelnen Teile verbessert wird.
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Im allgemeinen reicht es für die meisten Zwecke aus, daß man sich
auf den dichten Sitz zwischen dem Rotor und der Stiftachse verläßt, wenn es um die
Dichtung zwischen der Hochdruckseite und der Niederdruckseite der Vorrichtung geht.
Diese Dichtungen können jedoch im Bedarfsfall verbessert werden, indem geeignete
zusätzliche Dichteinrichtungen verwendet werden. Beispelsweise können Rippen- oder
Ringdichtungen oder vorzugsweise Schraubendichtungen verwendet werden. Alternativ
oder zusätzlich zu den zusätzlichen Dichtungseinrichtungen kann die Mündung der
Bohrung vermindert werden. Diese Verminderung gestattet entweder
eine
verbesserte Dichtung, wo die Breite der Trennwand dieselbe bleibt oder gestattet
es, die Breite der Trennwand zu vermindern, so daß besserer Gasstrom an den Öffnungen
erhalten wird. Die beiden Verbesserungen können ebenfalls zusammen zu einem geringeren
Ausmaß bewirkt werden. Vergleicht man diese Verbesserungen, so ergibt sich, daß
zwischen der Öffnung und der Bohrung ein schlechterer Gasdurchfluß auftritt,während
hingegen eine Verminderung der Bohrungsmündung eine vergrößerte Dichtungsfläche
liefert, was für zahlreiche Anwendungen gut sein kann.
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Es wurde lediglich eine einstufige Vorrichtung dargestellt; selbstverständlich
kann die erfindungsgemäße Vorrichtung sehr einfach zu mehrstufigen Einheiten führen,
indem man eine Anzahl solcher Einheiten in Aufeinanderfolge anwendet.
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So kann z.B. eine zweistufige Einheit dadurch gebildet werden, daß
man eine als ochdruckstufe dienende zweite Stufe zwischen zwei Niederdruckeinheiten
anordnet, die die erste Stufe bilden, wobei ein gemeinsamer Rotor und ein gemeinsamer
Führungskörper vorgesehen wird und wobei die Auslaßnuten der ersten Stufen direkt
an eine gemeinsame Einlaßnut für die zweite Stufe angeschlossen werden. Der EIochdruckauslaß
der zweiten Stufe geht dann an einer oder der anderen der ersten Stufen mit Hilfe
eines Kanals vorbei, der durch den dickeren Teil der Welle gebohrt ist.
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Durch das Einsetzen der Einheiten der ersten Stufe zwischen die zweite
Stufe und die Umgebung wird stufenweise der Druckunterschied zwisch s dem schließlichen
hohen Druck und der Umgebung vermindert und dadurch das Abdichten einfacher.
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Die Erfindung liefert somit eine umlaufende Vorrichtung mit Zwangsverdrängung
mit einem Rotor mit Kolben, deren Kronen nach innen weisen und deren Lagen durch
einen Führungskörper bestimmt werden, der in Rotor umgibt und gegenüber dem Rotor
exzentrisch mit synchroner Umlaufrate drehbar ist.