DE3238015A1

DE3238015A1 - Verfahren zum komprimieren von gasfoermigem foerdermedium mit einem roots-kompressor sowie roots-kompressor zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE3238015A1
Application number: DE19823238015
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl.-Ing. 3251 Aerzen Nissen
Original assignee: Aerzener Maschinenfabrik GmbH
Current assignee: Aerzener Maschinenfabrik GmbH
Priority date: 1982-10-13
Filing date: 1982-10-13
Publication date: 1984-04-26
Also published as: GB8327282D0; FR2534638B1; IT8323275A0; DE3238015C2; JPS59136594A; IT8323275A1; GB2132702A; FR2534638A1; IT1171754B; GB2132702B

Description

HOFFMANN · EITLE & PAKTNER

DR. ING. E. HOFPMANN (1930-1976) . Dl PL-I N G. W. EITLE · D R, R E R. NAT. K.HOFFMANN · Dl Pl.-1 N G. W. LEH N

DIPL.-ING. K. FOCHSLE · DR. RER. NAT. B. HANSEN ARABELLASTRASSE 4 · D-8000 MO NCH EN 81 · TELEFON (089) 911087 . TE LEX 05-29019 (PATHE)

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Aerzener Maschinenfabrik GmbH 3251 Aerzen

Verfahren zum Komprimieren von gasförmigem Fördermedium mit einem Roots-Kompressor sowie Roots-Kompressor zur Durchführung des Verfahrens

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Komprimieren von gasförmigem Fördermedium mit einem Roots-Kompressor, bei dem abwechselnd in die jeweils von dem jeweiligen Rootskolben und der zugeordneten Förderraumwand gebildeten Förderkammern nach dem Abschließen gegenüber der Saugseite Fördermedium aus der Druckseite eingespeist wird. Sie betrifft ferner einen Roots-Kompressor zur Durchführung des Verfahrens.

Bei Roots-Kompressoren besteht allgemein das Problem, daß ein Teil des bereits komprimierten Fördermediums beim Öffnen der'Förderkammer zur Druckseite in die Förderkammer zurückschlägt. Diese Strömungsumkehr führt zu starken Schwingungserscheinungen sowohl im bzw. am Roots-Kompressor, als auch im nachgeschalteten druckseitigen Rohrleitungssystem.

Zwar ist bereits versucht worden, diese Schwingungserscheinungen dadurch herabzumindern, daß Fördermedium aus der Druckseite in die Förderkammern vor deren öffnen

zur Druckseite eingespeist wird (vgl. beispielsweise DE-PS 11 33 500, DE-AS 12 58 543; Bulletin of JSME, Vol. 24, Nr. 189, März 1981, Seiten 547 bis 554). Durch die vorge-

schlagenen Maßnahmen kann jedoch ein Zurückschlagen des Fördermediums aus der Druckseite in die Förderkammer nicht vollständig vermieden werden _r so daß mit diesen bekannten Vorschlägen allenfalls eine Minderung der Schwingungsanregung möglich ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein vollkommen neuartiges Verfahren zum Komprimieren von gasförmigem Fördermedium mit einem Roots-Kompressor, sowie einen Eoots-Kompressor zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, bei dem ein starkes Schwingen des Fördermediums in der druckseitigen Förderleitung mit den daraus resultierenden akustischen und mechanischen Nachteilen vermieden wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Verfahrensweise bzw. der zu deren Durchführung geeignete Kompressor derart gestaltet werden,

- daß der Beginn der Einspeisung von Fördermedium in die Förderkammer des einen Rootskolben zeitlieh mit dem Ende der Einspeisung von Fördermedium in die Förderkammer des anderen Rootskolben zusammenfällt, .

- daß bei Ende der Einspeisung der Druck des in der jeweiligen Förderkammer befindlichen Fördermediums dem Betriebsdruck der Druckseite entspricht

- und daß die Einspeisung in die jeweilige Förder-

• kammer derart gesteuert wird, daß das Fördermedium in der dfuckseitigen Förderleitung eine konstante Strömungsgeschwindigkeit aufweist. 30

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, daß die bei der Kompression von gasförmigem Fördermedium durch Roots-Kompressoren auftretenden Pulsationen bzw. Schwingungserscheinungen in der druckseitigen Förderleitung dadurch vermieden werden, daß von dem auf die Druckseite geförderten Fördermedium vor dem Einspeisen in die Förderleitung je-

weils eine solche Menge abgezogen wird, daß die in der Förderleitung verbleibende Menge mit konstanter Strömungsgeschwindigkeit weiterfließt. Die abgezogene Menge wiederum wird dabei abwechselnd und ohne Unterbrechung derart in die Förderkammern eingespeist, daß bei Ende der Einspeisung der Druck in der jeweiligen Förderkammer dem Betriebsdruck der Druckseite entspricht. Die konstante Strömungsgeschwindigkeit ergibt sich aus dem zeitlich gemittelten Fördervolumen auf der Saugseite, dem Verhältnis der Dichten von Saug- und Druckseite und der Querschnittsfläche der Förderleitung auf der Druckseite.

Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen werden somit nicht nur diejenigen Schwingungen vermieden, die sich bei bekannten Roots-Kompressoren aufgrund des Zurückschiagens des Fördermediums in die Förderkammern ergeben, sondern auch diejenigen Pulsationen, die auf die Kolbengeometrie zurückzuführen sind.

Grundsätzlich kann die Steuerung der Einspeisung des Fördermediums in die jeweilige Förderkammer über kompressorinterne oder externe Einrichtungen erfolgen. Eine besonders einfache und zweckmäßige Steuerung wird jedoch dadurch erreicht, daß die für die Einspeisung von Fördermedium in die Förderkammern maßgeblichen Querschnittsflächen von den Roots-Kolben selbst gesteuert werden.

Die Einspeisung des Fördermediums in die Förderkammern kann bei Roots-Kompressoren zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in verschiedenster Weise erfolgen. So können mit der Druckseite verbundene Kanäle vorgesehen sein , die über die Zylinderflä-che und/oder die Stirnfläche des Förderrauines in die jeweilige Förderkammer einmünden. Es können aber auch zur Einspeisung des Fördermediums den normalen Dichtspalt zwischen Kolbenkopf und der Zylinderfläche vergrößernde Ausnehmungen in der Zylinderfläche vor-

gesehen werden.

Die Anordnung von Kanälen zur Einspeisung des Fördermediums hat den Vorteil, daß gegebenenfalls Kühleinrichtungen zwischen der druckseitigen Entnahme und der Einmündung in die jeweilige Förderkammer angeordnet werden können. Im Falle einer Kühlung muß jedoch die Steuerung derart gestaltet werden, daß das in der druckseitigen Förderleitung verbleibende Fördermedium die oben beschriebene konstante Strömungsgeschwindigkeit aufweist»

Die Anordnung von Einmündungsöffnungen im Bereich der Stirnflächen des Förderraumes hat den Vorteil, daß bereits mit kleinen Winkeländerungen des Roots-Kolbens relativ große Querschnitte freigegeben werden können. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Einmündungsöffnungen im Bereich ihrer zu Beginn der Einspeisung wirksamen Kante in ihrer Form der für die Steuerung maßgeblichen Kolbenkonturkante angepaßt sind.

Sofern zur Einspeisung des Fördermediums den normalen Dichtspalt zwischen Kolbenkopf und der Zylinderfläche vergrößerte Ausnehmungen in der Zylinderfläche vorgesehen werden, können sich diese über die gesamte Zylinderflachenlänge erstrecken. Im Bedarfsfalle kann es jedoch auch vorteilhaft sein, daß sich die Ausnehmungen lediglich über einen Teil der Zylinderlänge erstrecken.

Vorteilhaft ist es, wenn die Ausnehmungen aus zwei Abschnitten bestehen, die im Bereich der Zylinderflächenenden angeordnet sind. Bei einer derartigen Ausgestaltung können in denAusnehmungen von den Stirnflächen des Förderraumes her leistenartige Einstellschieber vorgesehen werden, die unter Beibehaltung der Öffnungscharakteristik je nach Einschubtiefe einer Veränderung der zeitlichen Flächenfunktion

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ermöglichen.

Bei einem Roots-Kompressor mit in zumindest eine der Stirnflächen des Förderraumes einmündenden Kanälen ist es vorteilhaft, daß die in den Stirnflächen angeordneten EinmündungsÖffnungen sich über einen bestimmten Drehwinkel des Rootskolbens erstrecken und auf ihrer dem Pörderraum gegenüberliegenden Seite von einem haubenartigen Kanalabschnitt derart überdeckt sind, daß die wirksame Querschnittsfläche für die Einspeisung von der für deren Steuerung maßgeblichen Kolbenkonturkante und-der Innenfläche der Wandung des Kanalabschnittes bestimmt wird.

Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß nach der Freigabe der jeweiligen Einmündungsöffnung durch den Roots-Kolben nicht mehr deren Querschnitt für die Einspeisung von Fördermedium in die Förderkammer maßgeblich ist, sondern der im wesentlichen senkrecht hierzu stehende Querschnitt, der von der für die Steuerung maßgeblichen Kolbenkonturkante und der Innenfläche der Wandung des Kanalabschnittes gebildet wird. Eine derartige Ausgestaltung hat den Vorteil, daß die wirksame Querschnittsfläche für die Einspeisung unabhängig vom Querschnitt der Einmündungsöffnung gesteuert werden kann.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann in besonders vorteilhafter Weise mit Roots-Kompressoren mit zwei dreizahnigen Roots-Kolben verwirklicht werden. Zwar ist die Verwirklichung der erfindungsgeitiäßen Verfahrensweise auch mit Roots-Kompressoren mit zwei zweizahnigen Roots-Kolben möglich. Die Verwirklichung mit Roots-Kompressoren mit zwei dreizahnigen Roots-Kolben hat jedoch den Vorteil, daß einerseits die für zweizahnige Roots-Kolben bewährten Gehäuseanordnungen beibehalten werden können, andererseits jedoch für die Einspeisung von Fördermedium in die Förderkammern der erforderliche Drehwinkelbereich zur Verfügung steht.

Ein weiterer Vorteil der dreizahnigen Roots-Kolben ist darin zu sehen, daß die Spaltverluste über einen bestimmten Drehwinkelbereich günstiger sind, als bei zweizahnigen Roots-Kolben. Darübehrinaus haben dreizahnige Roots-Kolben den Vorteil, daß sie hinsichtlich der Durchbiegung günstigere Eigenschaften aufweisen.

Bei gleicher Drehzahl liegen bei Roöts-Kompressoren mit zwei dreizahnigen Roots-Kolben die typische Grundfrequenz und deren Vielfache höher als bei Roots-Kompressoren mit zwei zweizahnigen Roots-Kolben. Dies führt dazu, daß für ein weiteres Absenken des Restgeräusches Resonatoren eingesetzt werden können, die gegenüber Resonatoren für zweizahnige Roots-Kolben hinsichtlich der Baugröße weniger als 50,,% ihres Volumens aufweisen.

Zur Verwirklichung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem Roots-Kompressor mit zwei zweizahnigen Roots-Kolben ist es erforderlich, die Ansaug- und Austrittsöffnungen des Kompressors in den jeweiligen Stirnflächen des Förderraumes anzuordnen. Bei zweizahnigen Roots-Kolben" mit sehr breitem Kolbenkopf kann sich auch ein Teil der Ansaugöffnung als Schlitzeinlaß in der'.Zylinderfläche der jeweiligen Förderkammer befinden. Bei dreizahnigen Roots-Kolben dagegen kann die herkömmliche Anordnung der Saug- und Druckstutzen im Bereich der Zylinderfläche beibehalten werden.

Ein weiterer Vorteil von Roots-Kompressoren mit dreizahnigen Roots-Kolben besteht darin, daß es bei gleicher Baugröße möglich ist, einen Förderinhalt pro Umdrehung in der Größenordnung wie bei Roots-Kompressoren mit zweizahnigen Roots-Kolben zu erzielen.

Die erfindungsgemäße Verfahrensweise ist nicht auf Roots-Kompressoren mit zwei- oder dreizahnigen Roots-Kolben be-

schränkt. So kann das erfindungsgemäße Verfahren im Bedarfsfälle jederzeit auch mit Roots-Kompressoren verwirklicht werden, die zwei vier- oder mehrzahnige Roots-Kolben aufweisen.
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Im folgenden sind zur weiteren Erläuterung und zum besseren Verständnis der Erfindung am Beispiel eines Roots-Kompressors mit zwei dreizahnigen Roots-Kolben einige die Steuerungsmöglichkeiten für die Einspeisung des Druckmediums in die jeweilige Förderkammer veranschaulichende Details unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben.

Figuren 1 und 2 zeigen Ausführungsbeispiele, bei denen die Einspeisung des Fördermediums über in

den Stirnflächen des Förderraumes angeordnete Einmündungsöffnungen erfolgt, und

Figuren 3 und 4 zeigen Ausführungsbeispiele, bei denen die Einspeisung des Fördermediums über die

Kolbenköpfe hinweg durch in den Zylinderflächen angeordnete Ausnehmungen erfolgt.

In den Figuren 1 bis 4 ist der Einfachheit halber jeweils nur ein Teil eines dreizahnigen Roots-Rolbens zusammen mit den für die Steuerung notwendigen Abschnitten des Gehäuses des Kompressors dargestellt. Die Drehrichtung des jeweiligen Roots-Kolbens 1 ist dabei jeweils durch einen Pfeil gekennzeichnet.
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Bei allen vier Ausführungsbeispielen befindet sich der Roots'-Kolben 1 in einer Stellung, in der der Zahn Z1 eine zwischen den Zähnen Zl und Z2 gebildete Förderkammer F gegenüber der Saugseite S (Figur 1) abgeschlossen hat. In allen vier Ausführungsbeispielen ist ferner der Roots-Kolben 1 in einer Stellung dargestellt, in der Fördermedium aus der Druckseite D in die Förderkammer F eingespeist wird.

Im Falle des Ausführungsbeispieles nach Figur 1 wird das Fördermedium von der Druckseite über einen nicht dargestellten Kanal abgezogen, der über eine Einmündungsöffnung

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in der Stirnfläche des Förderraumes des Kompressors in die Förderkammeif F einmündet. Diese Einmündungsöffnung 2 hat im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 eine etwa T-förmige Form, wobei der Übersichtlichkeit halber derjenige Teil des Querschnittes der Einmündungsöffnung 2, der vom Zahn Z2 des Roots-Kolben 1 freigegeben ist, mit einer Schraffur versehen ist.

Wie die Zeichnung klar erkennen läßt, ist die zu Beginn der Einspeisung wirksame Kante 3 der Einmündungsöffnung 2 in ihrer Form der für die Steuerung maßgeblichen Kolbenkonturkante 4 genau angepaßt. Eine derartige Ausgestaltung hat den Vorteil, daß bereits mit einer sehr kleinen Winkeländerung des Roots-Kolbens 1 eine relativ große Querschnittsfläche der Einmündungsöffnung 2 freigegeben werden kann.

Die Formgebung der Einmündungsöffnung 2 wird im übrigen wie eingangs bereits erwähnt - derart gewählt, daß bei Ende der Einspeisung der Druck in der jeweiligen Förderkammer dem Betriebsdruck der Druckseite entspricht und für die Einspeisung jeweils eine solche Menge von Fördermedium abgezogen wird, daß die in der Förderleitung verbleibende Menge mit konstanter Strömungsgeschwindigkeit weiterfließt.

in allen vier Ausführungsbeispielen ist darüberhinaus erfindungsgemäß die Anordnung derart getroffen, daß zeitlich mit dem Ende der Einspeisung in die Förderkammer F mit dem Beginn der Einspeisung in die gegenüberliebende, nicht dargestellte Förderkammer des Roots-Kompressors begonnen wird, so daß das Druckmedium abwechselnd und ohne Unterbrechung in die Förderkammern eingespeist wird.

Bei dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt die Einspeisung von Druckmedium aus der Druckseite ebenfalls über die Stirnfläche des Förderraumes. Im Gegen-

satz zu dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel bestimmt jedoch die in der Stirnfläche des Förderraumes angeordnete Einmündungsöffnung 5 nicht den wirksamen Durchströmquerschnitt. Vielmehr ist in diesem Ausführungsbeispiel über der Einmündungsöffnung 5 ein haubenartiger Kanalabschnitt 6 angeordnet, der derart gestaltet ist, daß die wirksame Querschnittsfläche für die Einspeisung von der für die Steuerung maßgeblichen Kolbenkonturkante 7 des Zahnes Z2 und der Innenfläche der Wandung des Kanalabschnittes 6 bestimmt wird. Diese wirksame Querschnittsfläche 8 steht in etwa senkrecht zur Stirnfläche des Roots-Kolbens und ist zum besseren Verständnis mit einer Schraffur kenntlich gemacht. Eine derartige Anordnung hat den Vorteil, daß die für die Einspeisung des Fördermediums maßgebliche Querschnittsfläche 8 durch eine entsprechende Gestaltung der Innenfläche der Wandung des Kanalabschnittes den jeweiligen Gegebenheiten angepaßt werden kann. So ist es beispielsweise möglich die wirksame Querschnittsfläche 8 über einen bestimmten Drehwinkelbereich des Roots-Kolbens trotz sich vergrößernden Querschnittes der Einmündungsöffnung 5 konstant zu halten oder nach bestimmten Kriterien anwachsen zu lassen.

Bei dem in Figur 3 dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt die Einspeisung von Fördermedium sowohl über einen mit der Druckseite verbundenen Kanal 9, als auch über Ausnehmungen in der Zylinderfläche, die den normalen Dichtspalt zwischen Kolbenkopf und Zylinderfläche vergrößern.

Grundsätzlich können sich die Ausnehmungen 10 über die gesamte Zylinderfläche erstrecken. Je nach der benötigten Querschnittsfläche kann es jedoch auch ausreichen, daß die Ausnehmungen jeweils aus zwei Abschnitten bestehen, die im Bereich der ZyIinderflächenenden angeordnet sind. In einem ■ solchen Fall können in den Ausnehmungen 10 - wie in Figur

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dargestellt ist - leistenartige Einstellschieber 11 angeordnet werden. Diese leistenartigen Einstellschieber 11
sind bei dem in figur 4 dargestellten Ausführungsbeispiel von den Stirnflächen des Förderrauines her in die Ausnehmungen 10 einschiebbar, wodurch auf relativ einfache Weise unter Beibehaltung der Öffnungscharakteristik je nach Einschubtiefe eine Veränderung der zeitlichen Flächenfunktion
ermöglicht wird.

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Claims

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PATENTANWÄLTE

DR. ING. E. HOFrMANN (1930-1976) . DIPL.-ING.W. EITLE . D R.RER. NAT. K.HOFFMAN N · Dl PL.-I NG. W. LEHN

DIPL.-ING. K. FDCHSLE » PR. RE R. .N AT. B. H ANS E N ARADELLASTRASSE 4 · D-8000 MÖNCHEN 81 . TELEFON (089) 911087 . TELEX 05-29Λ19 (PATHE)

Aerzener Maschinenfabrik GmbH 3251 Aerzen

Verfahren zum Komprimieren von gasförmigem Fördermedium mit einem Roots-Kompressor sowie Roots-Kompressor zur Durchführung des Verfahrens

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1J Verfahren zum Komprimieren von gasförmigem

Fördermedium mit einem Roots-Kompresspr, bei dem abwechselnd in die jeweils von dem jeweiligen Roots-Kolben und der zugeordneten Förderraumwand gebildeten Förderkammern nach dem Abschließen gegenüber der Saugseite Fördermedium aus der Druckseite eingespeist wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Beginn der Einspeisung von Fördermedium in die rFörderkammer des einen Roots-Kqlbens zeitlich mit dem Ende der Einspeisung von Fördermedium in die Förderkammer des anderen Roots-Kolbens, zusammenfällt , daß bei Ende der Eilj speisung der Druck des in der jeweiligen Förderkammer befindlichen Fördermediums dem Betriebsdruck der Druckseite entspricht, und daß die Einspeisung in die jeweilige Förderkammer derart gesteuert wird, daß das Fördermedium in der druckseitigen Förderleitung eine konstante Strömungsgeschwindigkeit aufweist.

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2. - Roots-Kompressor zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bei dem zur Einspeisung des Fördermediums

- mit der Druckseite verbundene Kanäle vorgesehen sind, die über die Zylinderfläche und/oder die Stirnflächen des Förderraumes in die jeweilige Förderkammer einmünden, und/oder

- Ausnehmungen in den Zylinderflächen vorgesehen sind, die den normalen Dichtspalt zwischen Kolbenkopf und der Zylinderfläche vergrößern, dadurch gekennzeichnet, daß die Einmündungsöffnungen (2,5) der Kanäle und/oder die Ausnehmungen (10) in den Zylinderflächen derart angeordnet und bemessen sind, daß der Beginn der Einspeisung von Fördermedium in die Förderkammer (F) des einen Roots-Kolben(1) zeitlich mit dem Ende der Einspeisung von Fördermedium in die Förderkammer des anderen Roots-Kolbens zusammenfällt und bei Ende der Einspeisung der Druck des in der jeweiligen Förderkammer befndlichen Fördermediums dem Betriebsdruck der Druckseite entspricht, und daß die Einspeisung in die jeweilige Förderkammer (F) derart gesteuert wird, daß das Fördermedium in ■ der druckseitigen Förderleitung eine konstante Strömungsgeschwindigkeit aufweist.
3. Roots-Kompressor nach Anspruch 2, dadurch g e kennzeichnet, daß die Steuerung der für die Einspeisung maßgeblichen Querschnittsflächen durch die Roots-Kolben erfolgt.
4. Roots-Kompressor nach Anspruch 2 und 3, dadurch

gekennzeichnet, daß die in den Stirnflächen des Förderraumes angeordneten Einmündungsöffnungen (2) im Bereich ihrer zu Beginn der Einspeisung wirksamen Kante (3) in ihrer Form der für die Steuerung maßgeblichen Kolbenkonturkante (4) angepaßt sind.

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5. Roots-Kompressor nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzei chnet, daß sich die Ausnehmungen ^°) über die gesamte Zylinderflächenlänge erstrecken.
6. Roots-Kompressor nach Ansprcuh 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Ausnehmungen (10) über einen Teil der Zylinderlänge erstrecken.
7. Roots-Kompressor nach Anspruch 6, dadurch g e -

kennzeichnet, daß die Ausnehmungen (10) aus zwei Abschnitten bestehen, die im Bereich der Zylinderflächenenden angeordnet sind.
8. Roots-Kompressor nach Anspruch 7, dadurch g e kennzeichnet, daß in die Ausnehmungen (10) von den Stirnflächen des Förderraumes her. leistenartige Einstellschieber (11) einschiebbar sind.
9. Roots-Kompressor nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Stirnflächen des Förderraumes angeordneten Einmündungsöffnungen (5) sich über einen bestimmten Drehwinkel des Roots-Kolbens (1) erstrecken und auf ihrer dem Förderraum gegenüberliegenden Seite von einem haubenartigen Kanalabschnitt (6) derart überdacht sind, daß die wirksame Querschnittsfläche (8) für die Einspeisung von der für deren Steuerung maßgeblichen Kolbenkonturkante (7) und der Innenfläche der Wandung des Kanalabschnittes (6) bestimmt wird.