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Beschreibung
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Die Erfindung betrifft einen Motor zur Nutzung der Expansionsarbeit
von komprimiertem Gas, das insbesondere nach der Expansion Reststoffbestandteile,
insbesondere Feststoffbestandteile enthält, nach dem Oberbegriff des An-:;),bruchs
1.
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Unter Anlehnung an die wesentlichen Bauelemente der Dampfmaschine
bedienen sich die heute am weitesten verbreiteten Verbrennungs-(Explosions-)motore
als Explosions-(Expansions-)raum eines mit einem hin- und hergehenden Kolben versehenen
Zylinders, dessen Bewegung über eine Pleuelstange in eine Drehbewegung einer Kurbelwelle
umgesetzt wird.
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Im Zuge der Suche nach Energieträgern, welche nicht nur Erdöl zur
Grundlage.haben, bietet sich die Benutzung von z.B. Kohlenstaub an, welcher in heimischen
Lagerstätten in ausreichender Menge zur Verfügung steht. Dabei besteht aber das
Problem, daß mit der Verbrennungsluft feste Bestandteile transportiert und insbesondere
abgeführt werden.
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Werden aber in den Zylinder Stoffe, insbesondere explosionsfähige
Stoffe geleitet, welche nach einem Arbeitstakt Rückstände zurücklassen, die weder
gasförmig. noch flüssig sind, so treten bei einem solchen Motor mit einem hin- und
herbewegten Kolben durch die Feststoffrückstände Probleme auf. Diese bestehen nicht
nur darin, daß schon die Beseitigung der festen (Asche-) Rückstände unüberwindliche
Schwierigkeiten
bereitet, sondern ein weiterer Begleitumstand fällt noch ausschlaggebender ins Gewicht:
Die nach einem Arbeitstakt (z. B. Explosion) im Zylinder verbleibenden festen Verbrennungsrückstände
werden während weiterer Arbeitstakte einer Vielzahl von Erwärmungen und Pressungen
zwischen dem Zylinderdeckel und der Kolbenstirnwand unterworfen, derart, daß ein
korundartiges Material entsteht.
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Bei den Kippbewegungen des Kolbens, hervorgerufen durch die zeitweilige
Schrägstellung der Pleuelstange, und unter dem Druck der Explosionen dringen diese
Materialteilchen zwischen die Rolkenringe sowie zwischen Kolbenaußen- und Zylinderinnenfläche
und bilden hier mit dem Schmiermittel eine hochwirksame Schmirgelsubstanz.
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Ausgehend von zwei durch den Pleuelstangenhub bevorzugten Zonen macht
der Materialverschleiß in so kurzer Zeit das Kernstück der Kraftmaschine unbrauchbar,
daß Anlagen dieser Art unwirtschaftlich sind.
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Bei dem wegen zunehmender Kosten für flüssige Brennstoffe bestehenden
Bedarf, neben diesen oder statt dieser auch zu Staub zerkleinerte Feststoffe zu
benutzen, können Steinkohle, Koks, Anthrazit, Braunkohle, Torf, Holz, Rodungsabfälie,
bis hin zu Ernterückständen und -überschüssen oder sonstige zu Staub verarbeitbare,
brennbare Stoffe in einem Verbrennungsmotor in mechanische Energie umgesetzt werden.
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Wegen der oben angedeuteten Schwierigkeiten bei der Verwendung von
Kolbenmotoren mit einem Gemisch aus Staub und
sauerstoffhaltigem
Gas als Brennstoff, können auch die bekannten Motoren, welche die Arbeit, die bei
der Expansion des Gemisches geleistet wird, unmittelbar (also ohne den Umweg über
eine Pleuelstange) in eine Drehbewegung umsetzen, keine Abhilfe bieten: E-s ist
zwar z.B. im Zusammenhang mit Kraftmaschinen für flüssige Brennstoffe schon früh
daran gedacht worden, die Wirkung von Rotationskompressoren umzukehren. Ein solcher
Rotationskompressor (Dubbel, "Taschenbuch des Maschinenbaus", 26. Auflage, 1931,
Seiten 683/684), der in einem Gehäuse mit kreisförmig zylindrischem Hohlraum exzentrisch
einen Kreiszylinder gelagert enthält, weist aber wiederum hin- und herbewegte Teile
auf, nämlich Lamellen, die radial beweglich gegen den Druck von Federn in Schlitzen
in dem exzentrisch gelagerten Zylinder geführt sind und den Zwischenraum zwischen
diesem Zylinder und dem Gehäuse in Kammern aufteilen.
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Andere Überlegungen, Kompressoren mit umlaufendem Verbringer (sogenannter
Kreiskolbenverdichter) als Kraftmaschinen zu benutzen, finden sich neben weiteren
Lösungen in der Patentliteratur und haben beispielsweise zum Wankelmotor geführt.
Dieser und ähnliche Motore haben jedoch den Nachteil kompliziert geformter Wandungen
der Explosionskammern und vergleichbarer Schwierigkeiten beim Entfernen fester Rückständ.
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Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Motor
zu schaffen, der beispielsweise auch mit einem Gas-Staub-Gemisch betrieben werden
kann und bei dem die
Gefahr des Verschleisses von Teilen weitgehend
vermindert ist, die sich in der Expansionskammer bewegen. Außerdem soll die Expa
ns io ns kamme r einfach zu geformt und für eine gute Abfuhr fester Rückstände aus
der Expansionskammer ge sorgt sein.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch den Motor mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1. Vorteilhafte Weiterbildunc7en sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Bei dem motor nach der Erfindung ist die Expansionskammer Teil eines
ringförmigen Hohlraumes, durch den eine Schaufel eines Schaufelrades abdichtend
hindurchgeführt wird.
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Während die Rückseite der Schaufel (in Bewegungsrichtung gesehen)
während des Arbeitstaktes die Vorderwand der Expansionskammer bildet, dabei dem
Expansionsdruck nachy 1 bt und ihre Bewegung auf das Schaufelrad überträgt, kann
die Vorderseite der Schaufel die vom vorangegangenen Arbeitstakt in der Expansionskammer
übriggebliebenen Feststoff-Rückstände ausräumen und einer dafür vorgesehenen öffnung
der Expansionskammer zuführen. Diese öffnung kann bevorzugt dem Durchlaßbereich
für einen Schieber entsprechen, der abseits von der Bewegungsbahn der Schaufel zur
Verschlußseite derselben oder einer weiteren Expansionskammer geführt wird, um diese
Expansionskammer während des Arbeitstaktes zu verschließen.
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Durch die doppelte Funktion der Schaufel als bewegte Wand der Expansionskammer
und als Ausräumschieber für feste Rückstände in der Expansionskammer ist es möglich,
r diese beiden Zwecke je eine Dichtungsleiste an der Sch.au-
fel
vorzusehen zur Abdichtung der Schaufel gegenüber den feststehenden Wandungen der
Expansionskammer, wobei jede der Dichtungen ihren besonderen Zweck optimal angepaßt
sein können. Zusätzlich kann, falls notwendig, der Zwischenraum zwischen den beiden
Dichtleisten durch ein Strömungsmittel, das über die Nabe des Schaufelrades zu-
und abgeführt wird, von Rückständen gereinigt werden, die zwischen die Dichtleisten
geraten.
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Wird die Anordnung so gewählt, daß. der Schieber sich (eventuell zusammen
mit weiteren Schiebern) an einem Rad (Schieberrad) befindet, insbesondere wie ein
Flügel an einem Flügelrad, so ergibt sich eine Konfiguration, bei der sich dieses
Schieberrad räumlich überschneidet mit dem rin<3formicJen Hohlraum bzw. Hohlräumen,
die um die Nabe des Schdulelrdde:i angeordnet sind und eine oder mehrere l:X)dl)-sionskammern
bilden. Bei einem Flügelrad als Schieberrad greift dessen Umfangskreis in einen
Umfangskreis des Schaufelrades wie ein Glied einer Kette in ein anderes.
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Dabei dient der Schieber des Schieberrades, der als Flügel eines Flügelrades
ausgebildet ist und dessen Flügelflächen einen überwiegend axial gerichteten Flächenvektor
aufweisen, zum Abdichten der Expansionskammer und es kann durch ihn die Zuführung
des Gas-Staub-Gemisches, beispielsweise eines Kohlenstaub-Luft-Gemisches erfolgen
mit Hilfe von Kanälen, die im Flügelrad vorgesehen sind. Das Schaufelrad hingegen,
dessen Schaufeln einen in Umfangsr i.:tuttln(l cjerichteten Ftächenvektor aufweisen,
ist für die Volumenänderung des Expansionsraumes, insbesondere Verbrennungsraumes
verantwortlich.
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Zur Koordinierung der Schieberbewegung gegenüber der Schaufelradbewegung
kann eine beliebige mechanische Antriebsverbindung zwischen dem Schaufelrad und
dem Schieberrad vorgesehen sein, auch eine solche, die bei einer kontinuierlichen
Schaufelraddrehung eine diskontinuier-Lichte Schieberraddrehung verursacht.
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Auf diese Weise sind nicht nur innerhalb der Expansionskammer hin-
und hergehende Teile vermieden, sondern al außerhalb derselben mit dem Vorteil gegenüber
Kolbenmutoren, daß die dauernde Beschleunigung und Verzögerung trager Massen entfällt.
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Es entfallen dann auch komplizierte Steuereinrichtungen für hin- und
herbewegte Ventile. Bei der Verwendung eines Schieberrades hat sich herausgestellt,
daß die zeitlichen Toleranzen für die koordinierte Steuerung der Schieberraddrehung
gröber bemessen sein können als bei Kolbenmotoren.
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Durch die Anordnung mehrerer Expansionskammern in einem Motor kann
ein sehr ruhiger Lauf des Motors erzielt werden. Dabei gibt es einmal die Möglichkeit,
um ein SChdufelrad mehrere Expansionskammern mit jeweils einem zugeordneten Schieber
oder Schieberrad vorzusehen. Zum anderen ist es auch möglich, um ein gemeinsames
Schieberrad mehrere Schaufelradanordnungen anzuordnen.
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Bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Motors ergibt sich - geyenüber
herkömmlichen Kolben bzw. Rotationskolbenmotoren - der Vorteil, daß eine spanabhebellde
Bear-
beitung entbehrlich und eine kostengünstige Produktion möglich
ist, wenn tiefgezogene Blechteile verwendet werden, die durch kastenförmige Gestaltung
eine groBe Stabilität bei kleinen bewegten Massen zulassen. Der Motorblock kann
aber entsprechend einer anderen bevorzugten Ausführungsform - auch in Form einer
Wanne aus Großmaterial hergestellt sein, welche Ausnehmungen aufweist, in welche
die Schaufelräder eingesetzt sind.
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Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung näher erläutert und es werden
Ausführungsbeispiele prinzipiell beschrieben.
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Figur 1 zeigt ein erstes, einfaches Ausführungsbeispiel und Figur
2 den zugeordneten Bewegungsablauf; in Figur 3 ist ein Ausführungsbeispiel prinzipiell
dargestellt, bei dem einem gemeinsamen Schieberrad mehrere Gehäuse mit je einem
Schaufelrad zugeordnet sind und eine Antriebsvorrichtung zwischen Schieberrad und
einer der Schaufelradanordnungen vorgesehen ist; Figur 4 betrifft eine Abwandlung
zu Figur 3.
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In Figur 1 liegt in Richtung einer Schaufelradachse A-A eine Welle
0 eines Schaufelrades 1 mit einer Schaufelradnabe 11 und vier Schaufeln 12, 13,
14 und 15. Dieses Schaufelrad 1 ist drehbar gelagert innerhalb eines Gehäuses 2
mit einer oberen und unteren Wand 20. bzw. 21 und Um-
fangsteilen
22a und 22b. Von zwei Ausnehmungen im Ges usw dient eine als Durchschlagsbereich
23 für einen Schieber 5 und die andere als Öffnung 24 zum Herausführen von festen
Rückständen aus einer Expansionskammer 4.
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Flächenteile des Gehäuseoberteils 25, der gewölbten Genäuseinnenwand
26, des Gehäuseunterteils 21 und der Schaufelradnabe 11 und dazu ein Oberflächenteil
(beispielsweise) 121 einer der Schaufeln (beispielsweise 12) bilden fünf Begrenzungsflächen
des sechswandigen Expansionsraumes. Letzterer ist abgeschlossen durch eine Fläche
511 eines Schiebers 5, der zu einem lediglich durch eine Achse B-B angedeuteten
Schieberrad in Gestalt eines Flügelrades gehört, dessen Flügel durch Schieber 5,
6 (und zwei weitere nicht dargestellte) gebildet werden. Die Achse B-B des Schieberrades
verläuft bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 1 ebenso senkrecht zur Schaufelradachse
A-A wie Anlagenflächen 231, 232, 233, welche die Verschlußseite der Expansionskammer
4 bilden.
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Das Schaufelrad 1 ist mit dem Schieberrad derart verbunden, daß beide
zwangsläufig vorbestimmte Stellungen zueinander einnehmen, wie es in einer möglichen
Ausfiihrungsform in Figur 3 dargestellt und weiter unten näher beschrieben ist.
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So wird erreicht, daß zu dem Zeitpunkt, da (beispielsweise) die Schaufel
12 den Durchlaßbereich 23 entgegen dem Uhrzeigersinne verläßt, der an einem angedeuteten
Flügel 51 befestigte Schieber 5 die Flächenteile 231, 232 und (hier von oben her)
zu bedecken und so den ExyJdnsionsr-u,
4 zwischen der Schaufel
12 und dem Schieber 5 abzuschließen beginnt. Ist der vollständige Abschluß erfolgt,
so strömt unter Druck ein Staub-Luft-Gemisch durch einen Kanal 52 und eine Ausnehmung
im Schieber 5, welche einer Ausnehmung 63 im Schieber 6 entspricht, die dort durch
einen Durchbruch 64 in einer Kanalwand 65 zu sehen ist. Das Gemisch strömt in die
Expansionskammer 4, um dort zu vorgegebener Zeit in an sich bekann.ter Weise zur
Explosion gebracht zu werden.
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In dem Maße, wie der Flügel 12 dem Explosionsdruck folgt, setzt auch
der Schieber 5 seinen Weg nach unten fort, wobei er den Expansionsraum 4 bis zum
Ende der Expansion geschlossen hält. Danach gibt der Schieber 5 die Verschluß seite
der Expansionskammer 4 zur Gänze frei, sodaß eine weitere Schaufel 13 den Durchlaßbereich
23 passieren kann, bevor ein (nicht gezeichneter) weiterer Schieber in den Durchlaßbereich
eintritt.
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Die Kanäle 52, 62 in den Flügelarmen 51, 61 führen zur Nabe des Schieberrades.
Von diesem aus kann der Zugang zu den Kanälen 52, 62 usw. intermittierend freigegeben
werden.
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Es ist unschwer zu erkennen, daß die vorliegende Erfindung vorteilhaft
auch dann Verwendung finden kann, wenn die Explosion an einem dem Schieberrad vorgeordneten
Orte (in Strömungsrichtung gesehen) oder in seinem Inneren stattfindet und lediglich
Explosionsgase auf dem oben beschriebenen Wege der Expansionskammer 4 zugeleitet
werden.
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In Figur 2 ist in verschiedenen Phasen a bis t nocheinm' der Arbeitsablauf
verdeutlicht. Jeweils rechts ist in Schnitt durch die Expansionskammer 4 von Figur
1 senkWr~e, zur Achse A-A dargestellt Jeweils links ist eine Ansicht gezeigt auf
die Verschlußseite der Expansionskammer 4, vor welcher der Schieber 5 von oben nach
unten im Verlaufe der Phasen a bis f vorbeiläuft. Dabei sind jeweils die gleichen
Bezugszeichen wie in Figur 1 verwendet.
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Figur 2a zeigt, wie der Schieber 5 mit einem Fenster 53 für die Zuführung
des Gas-Staub-Gemisches sich von oben her vor die Verschlußseite, also den Kammerzugang
zur Expansionskammer 4 schiebt. In der Phase b gelangt das enster 53 vor dwe Expansionskammer
4, so daß die Beschickung mit dem Gas-Staub-Gemisch beginnen kann. In der Phase
c wird die Beschickung beendet. Im rechten Bild ist dl Füllung der Expansionskammer
mit komprimiertem Gas-Staub-Gemisch punktiert angedeutet. In der Phase d ist die
Expansionskammer 4 nach dem Vorbeilaufen des Fensters 53 wieder völlig verschlossen,
so daß jetzt durch eine @lamme, Zündkerze, einen Glühkopf oder ähnliche Vorrichtung,
die bzw. der an der unterbrochenen Linie 7 angeordnet ist, die Explosion des Gemisches
herbeigeführt werden kann. In der Phase e schwenkt der Schieber 5 nach dem Ende
der Explosion nach unten von dem Zugang zur Expansionskammer 4 weg und gibt diese
in der Phase f völlig frei, so daß die nächste Schaufel 13 in die Expansionskammer
4 gelangen kann.
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In Figur 3 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, @@ dem ein einziges
Schieberrad mit Schiebern 5, 6, 6, 9
mehreren Gehäusen 2, 2a, 2b,
2c zugeordnet ist, die um das gemeinsame Schieberrad herum angeordnet sind mit Schaufelradachsen,
die in der Drehebene des Schieberrades liegen.
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Das Schieberrad ist gezeigt in der Phase der Beschickung der jeweiligen
Expansionskammer mit einem Staub-Luft-Gemisch. Die Beschickung erfolgt u.a. durch
Kanäle 52, 62.
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Diese fluchten im Betrieb mit Kanälen in einer feststehenden Misch-
und Verteilertrommel 16. Zwei der darin befindliche Kanäle 161 und 162 sind in der
abgenommen dargestellten Misch- und Verteilertrommel 16 sichtbar. Diese Kanäle 161
und 162 sind den Kanälen in den Schiebern 8 und 9 zuyeordnet. Da die Misch- und
Verteilertrommel 16 feststeht, während sich das Schieberrad dreht, gelangt nur dann
Gemisch in die Kanäle 52, 62 usw., wenn diese mit den Kanälen in der Misch- und
Verteilertrommel 16 fluchten. Zu dem Schieberrad gehört eine hohle Nabe 16 und eine
Welle 18, über welche das Schieberrad von den Schaufelrädern in den Gehäusen 2,
2a, 2b und 2c angetrieben werden kann.
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Eine derartige Antriebsverbindung zwischen Schieberrad und Schaufelrädern
ist für das Schaufelrad 2b in Figur 3 in Form von Zahnrädern 19 bis 19c dargestellt.
Dabei ist ein erstes Kegelrad 19 konzentrisch mit dem Schaufelrad 2b verbunden und
wird auf ein weiteres Kegelrad 19a, welches über eine Welle l9d mit dem weiteren
Kegelrad 19b verbunden ist, welches seinerseits auf das auf der Welle 18 angeordnete
Zahnrad 19c wirkt. Durch eine geeignete Wahl der Ubersetzungen läßt sich die Winkelgeschwindigkeit
des Schieberrades an die zur Beschickung und Entsorgung der Schaufelräder 2 bis
2b notwendige Winkelgeschwindigkeit anpassen.
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In Figur 4 ist stark schematisiert eine Anordnuny gezeigt, bei der
wiederum wie in Figur 3 für mehrere Gehäuse 2, 2d, 2b, 2c ein gemeinsames Schieberrad
vorgesehen ist, jedoch mit einer von der Gehäuseanzahl abweichenden Anzahl von Schiebern
I bis V. Dadurch wird erreicht, daß die Expansionskammern in den Gehäusen nicht
alle gleichzeitig wie in Figur 3, sondern zu unterschiedlichen Zeitpunkten mit Gemisch
beschickt werden und dementsprechend auch die Expansionen zu unterschiedlichen Zeitpunkten
erfolgen. Dadurch wird ein vergleichmäßigter Verlauf der Kraftmaschine erreicht.
In der dargestellten Lage verläßt gerade der Schieber I nach erfolgter Expansion
des Gemisches in einer Expansionskammer das Gehäuse 2c. Der Schieber II hat die
Beschickung der Expansionskammer im Gehäuse 2 beendet, so daß die Expansion eingeleitet
werden kann. Der Schieber III beginnt mit der Beschickung der Expansionskammer im
Gehäuse 2a. Die Schieber IV und V lassen gerade eine Schaufel des Schaufelrades
in dem Gehäuse 2b passieren.
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Auf diese Weise kann es innerhalb einer Umdrehung des Schieberrades
zu insgesamt zwanzig Explosionen in den Expansionskammern der vier Gehäuse kommen.
Mit einem anders ausgelegten Schieberrad und einer anderen Gehäuse zahl lassen sich
gegebenenfalls noch häufigere Explosionen pro Schieberradumlauf erreichen.
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Aus Figur 1 ist ersichtlich, daß auch eine umgekehrte Zuordnung eines
einzigen Gehäuses 2 zu mehreren Schieberrädern möglich ist, wenn nämlich die öffnung
24 als Durchlaßbereich für ein weiteres Schieberrad genützt wird, so daß dann zwischen
diesem Durchlaßbereich 24 und der Schau-
fel 13 eine weitere Expansionskammer
entsteht. Auch hier kann ein ruhigerer Lauf dadurch erzielt werden, daß die Anzahl
der Schieber eines Schieberrades abweicht von der Anzahl der Expansionskammern im
zugehörigen Gehäuse 2.
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Aus Figur 1 ist ebenso ersichtlich, daß die Drehebene des Schieberrades
nicht unbedingt parallel verlaufen muß zur Schaufelradachse A-A, sondern auch leicht
geneigt dazu sein kann. Entsprechendes gilt für die Schaufel. Dadurch kann beispielsweise
erreicht werden, daß der obere Teil der Schaufel 12 schon früher in die Expansionskammer
4 eintaucht als der untere Teil, um dem Schieber 5 einen früheren Beginn des Verschließens
der Verschlußseite der Exvansionskammer 4 zu ermöglichen.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind denkbar. So kann beispielsweise
in einem gemeinsamen Gehäuse eine Anzahl von Expansionskammern in Richtung der Schaufelradachse
A-A übereinander angeordnet seien. Zur Verlängerung des Verschleisses durch die
Berührung des Schiebers 5 mit den Flächen 231, 232 und 233 kann der Schieber 5 von
der abseits der Bahn der Schaufeln liegenden, dargestellten Position zunächst in
einem geringen Abstand von den Flächen 231, 232, 233 in den Durchlaßbereich 23 geschwenkt
und erst dort an diese Flächen angepaßt werden, solange wie der Beschickungsvorgang
und die Expansion. dauern.
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