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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erzeugung eines verdichteten
Fluids. Genauer gesagt bezieht sich die Erfindung auf eine Pumpe,
die Fluid komprimiert, wenn sich eine Pumpeinrichtung in verschiedene
Richtungen bewegt.
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STAND DER
TECHNIK
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Es
ist geplant, dass verschiedene Teile an gewissen Fahrzeugen für ihre Betätigung ein
verdichtetes Fluid, wie beispielsweise Druckluft, benötigen. So
werden Bremssysteme von Lastkraftwagen und anderen langen Fahrzeugen
oft mit Druckluft betrieben, um verschiedene Bremsmechanismen zu steuern,
wie beispielsweise Federspeicherbremszylinder, und zwar in Brems-
und in nicht-Bremspositionen hinein.
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Es
sind verschiedene Typen von Pumpen entwickelt worden, die der Bereitstellung
eines verdichteten Fluids dienen, einschließlich Luftpumpen auf Membranbasis,
Pumpen mit mehreren Kolben, Kompressoren mit Taumelscheiben sowie
einfache über
eine Welle angetriebene Kolbenkompressoren. Weil natürlich bei
der Gestaltung von Fahrzeugen der Raum und die Leistung immer eine
Rolle spielen, wurden verschiedene Gestaltungs- und Verbesserungstypen
vorgeschlagen, um die Verdichtung des von der Pumpe abgegebenen
verdichteten Fluids zu maximieren und die Größe der Pumpe zu minimieren.
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Ein
solcher Vorschlag ist die Gestaltung einer zweistufigen Pumpe, wie
beispielsweise des zweistufigen Kolbenkompressors, wie er in der
US 4,657,488 beschrieben
wird. Bei diesem Kompressortyp ist ein Einlass vorgesehen, durch
den die Luft in eine erste Verdichtungszone gelangt, die am einen Ende
des oberen Bereiches eines Kolbens gebildet ist. Diese erste Verdichtungszone
ist mit einer zweiten kleineren Verdichtungszone verbunden, die
auf der anderen Seite der oberen Seite des Kolbens vorgesehen ist
und die ihrerseits mit einem Auslass verbunden ist. Demzufolge fließt bei einem
Abwärtshub des
Kolbens Luft durch den Einlass in die erste Zone. Beim Aufwärtshub des
Kolbens wird die Luft verdichtet und in die zweite kleiner gestaltete
Dichtungszone überführt, in
der beim nächsten
Abwärtshub
des Kolbens sie wieder verdichtet und durch den Auslass hinwegbefördert wird.
Auf diese Weise wird eine höhere
Konzentration von Druckluft von dem Kompressor abgegeben.
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Ein
Nachteil dieser Art zweistufiger Verdichtung besteht jedoch darin,
dass mehr Wärme
entsteht, die zu zahlreichen Problemen führt. So wird beispielsweise
oft ein Lufttrockner in Verbindung mit dem Kompressor eingesetzt,
um die Feuchtigkeit in der Luft, die vom Kompressor angeliefert
wird, zu entfernen, bevor die Luft relevante Teile des Fahrzeugs erreicht.
Weil die Luft heißer
ist, hat sie die Fähigkeit, mehr
Wasserdampf aufzunehmen. Aus diesem Grund muss der Lufttrockner
beim Entfernen der Feuchtigkeit mehr arbeiten. Ein weiteres Problem, welches
durch die zusätzliche
Wärme verursacht wird,
besteht darin, dass das Öl
verstärkt
zum Verkoken neigt und beim Verbrennen Niederschläge aus Kohlestoff
hinterlässt.
Noch ein weiteres Problem, welches durch übermäßige Anteile sehr heißer Luft entsteht,
besteht darin, dass die Bestandteile des Kompressors und die Elemente
stromab des Kompressors eine kürzere
Betriebszeit haben, teilweise verursacht durch die Konzentration
und die Ausdehnung von solchen Teilen, die einer unnötigen Erwärmung und
Wiederabkühlung
ausgesetzt sind.
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Ein
weiterer Nachteil dieser Art der zweistufigen Verdichtung besteht
darin, dass bis zum gewissen Grade ein "Stampfen" immer noch eintritt. Die Lufttrockner,
die gewöhnlich
in Verbindung mit solchen Kompressoren eingesetzt werden, enthalten
typischerweise ein Trockenmittel zur Entfernung der Feuchtigkeit.
Das wiederholte Einwirken einer intermittierenden Kraft bei jedem
Kolbenhub kann eventuell dazu führen,
dass das Trockenmittel zu Pulver wird.
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Es
besteht deshalb der Wunsch, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum
Verdichten von Fluid bereitzustellen, mit denen eine höhere Konzentration verdichteten
Fluids erreichbar ist, jedoch andererseits keine übermäßige Wärme entsteht.
Weiterhin geht es darum, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen,
mit der eine erhöhte
Konzentration verdichteten Fluids erreichbar ist, die aber nicht
zugleich zu einem Stampfen führen.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine zweistufige Pumpe
vorgesehen, mit:
einem Gehäuse
mit einem Einlass und einem Auslass;
einer in dem Gehäuse angeordneten
Pumpeinrichtung;
einer mit dem Einlass in Verbindung stehenden
ersten Kammer zur Aufnahme von Fluid bei Bewegung der Pumpeinrichtung
in eine erste Position;
einer direkt mit dem Auslass verbundenen
zweiten Kammer;
einer ersten Leitung, über die Fluid bei Bewegung
der Pumpeinrichtung in eine zweite Position von der ersten Kammer
in die zweite Kammer strömen
kann.
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Die
Pumpe weist erfindungsgemäß eine zweite
Leitung auf, über
die Fluid von der ersten Kammer direkt zum Auslass strömen kann.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum
Verdichten von Fluid mit einer Pumpe mit einem Auslass vorgesehen,
wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
Ansaugen des
Fluids in die Pumpe;
Verdichten des Fluids in einer ersten
Verdichtungszone.
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Erfindungsgemäß weist
das Verfahren weiter folgende Schritte auf:
Fördern eines
ersten Volumens verdichteten Fluids durch den Auslass und eines
zweiten Volumens verdichteten Fluids in eine zweite Verdichtungszone;
weiterhin
Verdichten des zweiten Volumens verdichteten Fluids;
und dann
Fördern
des verdichteten Fluids durch den Auslass.
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Ausführungsformen
der Erfindung werden nachfolgend anhand von Beispielen beschrieben
und sind in den Zeichnungen dargestellt.
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1 zeigt
eine Schnittansicht einer Ausführungsform
einer in mehreren Richtungen anbietenden Pumpe nach der vorliegenden
Erfindung;
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2a zeigt
eine Schnittdarstellung einer Ausführungsform der Pumpe der 1,
wobei sich der Kolben in einer ersten Position befindet;
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2b zeigt
eine Schnittdarstellung einer Ausführungsform nach 2a,
wenn er sich in einer zweiten Position befindet;
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3a zeigt
eine Ausschnittsdarstellung einer weiteren Ausführungsform der Pumpe nach 1,
wenn sich der Kolben in einer ersten Position befindet;
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3b zeigt
eine Ausschnittsdarstellung der Pumpe der 3a, in
einer zweiten Position befindet;
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4 zeigt
eine Schnittdarstellung einer Ausführungsform der Pumpe der 2b mit
Anwendung eines richtungsabhängigen
Steuerventils, wobei das Ventil so eingestellt ist, dass es die
Verbindung zwischen dem Einlass und der zweiten Kammer gestattet.
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5 ist
eine Schnittdarstellung einer Ausführungsform der Pumpe der 2b mit
Anwendung eines richtungsabhängigen
Steuerventils, wobei das Ventil so eingestellt ist, dass es die
Verbindung zwischen dem Einlass und der zweiten Kammer einschränkt.
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6 zeigt
eine Schnittdarstellung einer Ausführungsform der Pumpe gemäß 2b unter Verwendung
einer Platte, die so ausgebildet ist, die Verbindung zwischen dem
Einlass und der zweiten Kammer einzuschränken; und
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7 zeigt
eine Schnittdarstellung einer Ausführungsform der Pumpe gemäß 2b die
so ausgebildet ist, dass die Verbindung zwischen dem Einlass und
der zweiten Kammer eingeschränkt
wird.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt
die wesentlichen Bestandteile einer ersten Ausführungsform einer Pumpe nach
der Erfindung. Die in der Beschreibung verwendeten Begriffe "Oberteil," "Boden," "oberhalb," "unterhalb," "ober," "unter," "am
Oberteil," "unterhalb," "nach oben," "nach
unten," "ober," "unter," "Vorderseite," "Rückseite," "vorwärts" und "rückwärts" beziehen sich auf die Gegenstände, wie
sie in den Zeichnungen dargestellt sind.
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Aus 1 ist
erkennbar, dass eine Pumpeinrichtung 36 in einem Gehäuse 22 vorgesehen
ist. Am einen Ende der Pumpeinrichtung 36 ist eine Kammer 50 gebildet
und angeordnet, während
eine zweite Kammer 52 am entgegengesetzten Ende der Pumpeinrichtung 36 vorgesehen
ist. Demzufolge nehmen die Kammern 50 und 52 abwechselnd
das gepumpte Medium auf, wenn die Pumpeinrichtung zwischen einer
ersten und einer zweiten Position hin- und herbewegt wird, wie dies
aus den 2a–2b hervorgeht.
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Bei
der in 1 dargestellten Ausführungsform ist das Gehäuse 20 in
Form eines Gehäuses
eines Kompressors ausgebildet, welches verschiedene Teile aufweisen
kann, die beieinander angeordnet sind, einschließlich eines Gehäuses 24 für eine Antriebswelle,
einer Dichtplatte 25, einer unteren Ventilplatte 26,
ein Zylinder 28, eine obere Ventilplatte 30 und
einen Kopf 32. Der Zylinder 28 bildet eine Zylinderbohrung 34,
in der ein Kolben 36 gleitend angeordnet ist. In dem Gehäuse 24 für die Antriebswelle ist
das eine Ende einer Antriebswelle 38 untergebracht, an
dem eine Verbindungsstange 40 vorgesehen ist. Die Verbindungsstange 40 kann
sich ringförmig
um die Antriebswelle 38 erstrecken und ist mit einer Endfläche so verbunden
oder in anderer Weise mit der Antriebswelle 38 in einer
Weise gekoppelt, so dass sich die Verbindungsstange 40 auf
und nieder bewegt, wenn die Antriebswelle 38 dreht. Die
Verbindungsstange 40 ist mit der Kolbenstange 44 des
Kolbens 36 über
einen Schwingzapfen 39 verbunden, so dass bei sich drehender
Antriebswelle 38 sich der Kolbenkopf 46 in der
Zylinderbohrung 34 auf und ab bewegt. Der Kopf 32 besitzt
mindestens einen Einlass 48 und mindestens einen Auslass 49,
durch die gepumptes Medium entsprechend der Bewegung des Kolbens 36,
wie dies nachfolgend beschrieben wird, in die Pumpe hinein bzw.
aus dieser heraus gelangt.
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Gemäß 2a steht
die Kammer 50 mit dem Einlass 48 in Verbindung,
so dass bei einer Abwärtsbewegung
des Kolbens 36 in eine erste Position das zu pumpende Medium über den
Einlass 48 eingesaugt wird, wobei es durch einen Kanal 54, über ein Ventil 56 (beispielsweise
in Form eines Blattfederventils) durch einen Durchgang 58 in
die erste Kammer 50 gelangt (wie dies durch Pfeile A angedeutet ist).
Aus 2b geht hervor, dass die Kammer 50 mit dem
Auslass 49 in Verbindung steht, wenn der Kolben 36 nach
aufwärts
in eine zweite Position bewegt wird. Dabei wird zu pumpendes Medium
aus der ersten Kammer 50 durch den Auslass 60 über ein
Ventil 62 (beispielsweise ein Blattfederventil) durch einen Kanal 64 und
durch den Auslass 49 geführt (wie dies durch Pfeile
D angedeutet ist).
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Eine
erste Ladung 66 verbindet die erste Kammer 50 mit
der zweiten Kammer 52, so dass bei einer Aufwärtsbewegung 36 das
Medium aus der ersten Kammer 50 in die zweite Kammer 52 gelangt
(wie dies durch Pfeile C angedeutet ist). Bei dieser Ausführungsform
weist die erste Leitung 66 einen Durchgang 58,
einen Kanal 68 und einen Eingang 70 auf. Bei anderen
Ausführungsformen
kann jedoch die erste Leitung 66 auch jede individuelle
Folge von Durchgängen
und/oder Kanälen
aufweisen, die geeignet sind, dass zu pumpende Medium von der ersten Kammer 50 in
die zweite Kammer 52 zu überführen, während die Pumpeinrichtung 36 in
die zweite Position bewegt wird.
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Aus 2b geht
auch hervor, dass eine zweite Leitung 67 vorgesehen ist,
die die erste Kammer 50 mit dem Auslass 49 derart
verbindet, dass bei Aufwärtsbewegung
des Kolbens 36 in die zweite Position das Medium aus der
ersten Kammer in den Auslass 49 gelangt (wie dies durch
die Pfeile D verdeutlicht ist). Bei dieser Ausführungsform weist die zweite
Leitung 67 einen Auslass 60 und einen Kanal 64 auf.
Bei anderen Ausführungsformen
kann jedoch die zweite Leitung 67 jeden individuellen Durchgang oder
einer Folge von Durchgängen
und/oder Kanälen aufweisen,
die geeignet sind, um Medium aus der ersten Kammer 50 in
Richtung auf den Auslass 49 zu führen, während die Pumpeinrichtung in
die zweite Position gebracht wird.
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Ebenso
wie die erste Kammer 50 steht auch die zweite Kammer 52 in
Verbindung mit dem Auslass 49. Wenn der Kolben 46 nach
unten in die erste Position verfahren wird, wie dies in 2a gezeigt ist,
wird zu pumpendes Medium in die erste Kammer 50 gesaugt
(wie es durch Pfeile A angedeutet ist), während Medium aus der zweiten
Kammer 52 gleichzeitig durch den Auslass 76 über das
Ventil 78, durch einen Kanal 80 und aus dem Auslass 49 geschoben wird
(wie dies durch Pfeile B angedeutet ist). Wenn dann der Kolben 36 nachfolgend
wieder in die zweite Position nach oben verfahren wird, wie dies
die 2b zeigt, wird ein Teil des gepumpten Mediums in
der ersten Kammer 50 durch die zweite Leitung 67 geleitet,
wie dies oben beschrieben wurde, während gleichzeitig ein anderer
Teil des Mediums aus der Kammer 50 über die erste Leitung 66 in
die zweite Kammer 52 gelangt, in der es ein zweites Mal
verdichtet wird, wenn sich der Kolben wieder in die erste Position
begibt, wie sie in 2a dargestellt ist.
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Weil
Medium aus der ersten Kammer 50 über den Durchgang 58 und
den Auslass 60 (wie in 2b dargestellt)
ausströmt,
ist der Teil der Luft, die durch die erste Leitung in die zweite
Kammer 52 gesaugt wird, umgekehrt proportional zu der Luft,
die über
den Auslass 60 in den Auslass 49 gelangt. Die zweite
Kammer 52 besitzt ein kleineres Volumen als die erste Kammer 50 so
dass das Medium, welches von der ersten Kammer 50 in die
zweite Kammer 52 gelangt und das bereits in der ersten
Kammer 50 komprimiert wurde, in der zweiten Kammer 52 weiter komprimiert
wird. Zusätzlich
ist die zweite Kammer 52 hinreichend kleiner bemessen als
die erste Kammer 50, damit hinreichend Druck für die weitere
Verdichtung aufgebracht werden kann, wobei in Betracht gezogen wird,
dass ein Teil des Mediums die Kammer 50 über den
Ausgang 60 verlassen hat. Es gibt verschiedene Möglichkeiten,
die zweite Kammer 52 kleiner als die erste Kammer 50 zu
gestalten. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass die zweite
Kammer 52 einen kleineren äußeren Radius (im Vergleich
zur Zylinderbohrung 34) erhält, oder auch dadurch, dass
der innere Radius auch kleiner gewählt wird (durch Wahl des Durchmessers
der Kolbenstange 44).
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Weil
die erste und zweite Kammer 50 und 52 jeweils
mit dem Auslass in Verbindung stehen (d.h. Medium aus jeder Kammer
in den Auslass gelangen kann, ohne dass es jeweils durch die andere
Kammer geführt
wurde), kann das Medium an den Auslass 49 während des
Aufwärtshubes
und des Abwärtshubes des
Kolbens 36 übergeben
werden, wodurch der Stampfeffekt der doppelt wirkenden Pumpe reduziert wird.
Darüber
hinaus wird das Medium, welches durch die zweite Kammer 52 fließt, zweimal
verdichtet, was zu einem konzentrierteren Medium führt. Die Überführung des
zweimal verdichteten Mediums durch den Auslass 49 wechselt
sich jedoch mit solchem Medium ab, welches in der ersten Kammer 50 nur
einmal verdichtet wurde, wodurch die entstehende Wärme reduziert
wird.
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Bei
der Ausführungsform
der 2a–2b ermöglicht es
der Durchgang 58 dem Medium sowohl in die Kammer 50 wie
aus der Kammer 50 heraus zu fließen. Bei anderen Ausführungsformen
kann der Durchgang 58 durch einen separaten Einlass 72 und
einen Auslass 74 ersetzt sein, wie dies in den 3a–3b dargestellt
ist. Bei diesen Ausführungsformen
umfasst die erste Leitung 66 einen Auslass 74,
einen Kanal 75 und einen Einlass 70.
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Weil
sich die Bedingungen ändern
können und
so unterschiedlich hohe Drücke
verdichteter Luft erforderlich werden können, kann der Wunsch entstehen,
die Konzentration des verdichteten Mediums, welches durch die Pumpe
abgegeben wird, anzuheben oder abzusenken. Bei solchen Ausführungsformen
kann somit die oben beschriebene Gestaltung dazu benutzt werden,
eine doppelt wirkende Pumpe zu schaffen oder sogar eine einfach
wirkende Pumpe, indem ein oder mehrere Dichtmechanismen angewendet
werden, um den Durchfluss von Medium durch die Abdichtung der Leitung 66 zwischen
den beiden Kammern 50 und 52 zu behindern, wie
dies nachfolgend beschrieben wird.
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Eine
solche Ausbildung kann für
gewissen Busse oder LKWs wünschenswert
sein, die manchmal große
Entfernungen zurücklegen
und zu anderen Zeiten relativ häufig
gestartet und stillgesetzt werden, während der Fahrt einer kleinen
Distanz. Bei solchen Anwendungen werden unterschiedliche Mengen
verdichteter Luft zu unterschiedlichen Zeiten von dem gleichen Fahrzeug
gefordert. Demzufolge zeigen die 4 und 5 verschiedene
vorteilhafte Ausführungsformen,
bei denen die Pumpe einen steuerbaren Dichtmechanismus 90 aufweist.
Wenn es gewünscht
wird, die Konzentration des von der Pumpe abgegebenen Mediums zu
erniedrigen, kann der Dichtmechanismus 90 beispielsweise
ein Richtungs-Steuerventil aufweisen, das so eingestellt ist, dass
es den Durchfluss zwischen der ersten Kammer 50 und dem
Kanal 68 behindert, wie dies in 4 dargestellt
ist. Wenn sich dann der Kolben 36 aus der ersten in die
zweite Position bewegt, wird das Medium in der ersten Kammer 50 allein
durch den Auslass 60 ausgestoßen (angedeutet durch Pfeile
E). Dabei wird Medium in die zweite Kammer 52 direkt von
dem Einlass eingesaugt (wie durch Pfeile F verdeutlicht). Damit
wird eine doppelt wirkende Pumpe geschaffen, die effektiv arbeitet.
Alternativ kann der Dichtmechanismus 90 so eingestellt
werden, wie dies in 5 gezeigt ist, wobei der Durchfluss
durch den Kanal 68 sowohl vom Eingang 48 her,
wie auch aus der Kammer 50 komplett behindert wird, so
dass die zweite Kammer 52 gänzlich abgeschnitten wird,
so dass letztendlich eine einfach wirkende Pumpe entsteht.
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Bei
einigen Ausführungsformen
kann es vorkommen, dass eine doppelt wirkende, eine einfach wirkende
oder eine in zwei Stufen wirkende Pumpe gewünscht wird. Bei diesen Ausführungsformen,
wie sie in den 6 und 7 dargestellt
sind, kann der Dichtmechanismus in sehr einfacher Weise eine Platte 92 aufweisen,
die zwischen dem Zylinder 28 und der oberen Ventilplatte 30 angeordnet
ist. Diese Platte kann jegliche Anordnung von Öffnungen, Ventilen oder Wandabschnitten
aufweisen, die geeignet sind, den besonderen Durchflusspfad in der
gewünschten Weise
zu schaffen.
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So
kann beispielsweise die Platte 92, wie dies in 6 dargestellt
ist, ein Rückschlagventil 94, beispielsweise
in Form eines Blattfederventils, bereitstellen, das dazu dient,
dass das Medium über
den Durchgang 58 in die erste Kammer gelangt, aber andererseits
verhindert, dass Medium aus der ersten Kammer 50 durch
den Durchgang 58 ausströmen kann.
Auf diese Weise wird eine doppelt wirkende Pumpe ähnlich der
Ausführungsform
der 4 geschaffen. Alternativ, wie dies anhand der 7 verdeutlicht
ist, kann die Platte als ein Wandelement 96 wirken, die
zwischen zwei Punkten am Kanal 68 angeordnet ist, so dass
die zweite Kammer 52 komplett blockiert wird. Auf diese
Weise wird eine einfach wirkende Pumpe ähnlich der Ausführungsform
der 5 geschaffen.
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Wenn
alternativ ein Anstieg der Konzentration des verdichteten Mediums
gewünscht
wird, kann das Wandelement 96 abweichend zu der Blockierung des
Auslasses 60 so angeordnet sein, dass eine effektive zweistufige
Verdichtungspumpe geschaffen wird. In ähnlicher Weise kann ein steuerbares
Ventil am Auslass 60 positioniert werden, welches so eingestellt
werden kann, dass es entweder den Durchfluss von Medium aus der
ersten Kammer 50 durch den Auslass 60 behindert
oder gestartet.
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Bei
gewissen vorteilhaften Ausführungsformen
können
gerichtete Steuerventile sowohl im Bereich des Durchgangs 58 wie
auch des Auslasses 60 vorgesehen sein, um die größte Anpassung
zu ermöglichen.
Diese Ventile können
Bestandteil einer Ventilplatte sein, die entweder manuell oder automatisch über einen
Betätiger
steuerbar sind, wie beispielsweise über eine elektronische Steuereinheit (nicht
dargestellt), die Signale von verschiedenen Teilen des Fahrzeuges
empfängt
und entsprechend den Bedürfnissen
an komprimiertem Medium am Fahrzeug aufgebaut ist und diese Ventile
entsprechend betätigt.
Ein solcher Betätiger
kann zum Beispiel den Dichtmechanismus aktivieren, wenn die benötigte Menge
an verdichtetem Medium einen gewissen Schwellwert überschreitet.
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Aufgrund
der oben beschriebenen Ausführungsformen
kann der Kompressor an verschiedene Arbeitsbedingungen angepasst
werden. Der Kompressor kann auch eine Vielzahl optionaler Einrichtungen
aufweisen, die an solche Bedingungen angepasst sind, wie dies in 1 gezeigt
ist. So kann der Kompressor beispielsweise Kolbenlager 98 in
der Dichtungsplatte 25 aufweisen, die bei milden Bedingungen
dichten. Wenn jedoch die Bedingungen moderat sind und eine Menge
Pumparbeit erforderlich wird, können
die Lager offen sein und es kann wünschenswert sein, ein Ölbad oder
Beschlag in der Kammer 23 für die Antriebswelle anzuwenden,
in Verbindung mit einer Öldichtung 99,
die verhindert, dass Öl
in die Kammern 50 und 52 gelangt. Wenn die Bedingungen
maximal sind und eine große
Menge hochkomprimierter Luft kontinuierlich durch den Kolben erzeugt
wird, kann eine Wasserkammer 29 vorgesehen sein, um die
Luft zu kühlen.