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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Luftverdichter. Insbesondere
bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen verbesserten Luftverdichter
vom Schraubentyp.
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Schraubentyp-Rotationsluftverdichter
umfassen im allgemeinen ein Paar komplementärer Rotoren, die innerhalb
einer inneren Arbeitskammer des Verdichtergehäuses angebracht sind. Jeder
Rotor hat eine Welle, die für
eine Rotationsbewegung von einem Paar sich gegenüberliegender Radiallager getragen
wird. Luft tritt durch einen Luftende- oder Luftzugeinlass ein und
wird von den rotierenden Rotoren verdichtet, während sie sich zu einer Ausgabeöffnung an
dem Ausgabeende der Kammer hin bewegt. Der Abstand zwischen den
Endflächen
der Rotoren und der Ausgabeendfläche
des Gehäuses
wird als die Ausgabeendweite bezeichnet. Diese Ausgabeendweite hat
einen wesentlichen Einfluss auf die Leistung des Verdichters. Somit
ist es erwünscht, eine
betriebsfähige
Ausgabeendweite eines gegebenen Luftverdichters genau einzustellen
und beizubehalten, um eine gewünschte
Leistung zu erzielen.
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Derzeitige
Verfahren der Montage des Rotors mit einer erwünschten betriebsfähigen Endweite erfordern
im allgemeinen eine ausführliche,
sehr genaue maschinelle Bearbeitung der Rotoren und Gehäuse. Lager
müssen
darüber
hinaus genau hergestellt werden, um nicht nur eine radiale Lagerung sondern
auch eine axiale Lagerung zu bewerkstelligen. Selbst bei einer präzisen maschinellen
Bearbeitung wird die erwünschte
Endweite nicht ohne umfangreiche Montageprozeduren erzielt, beispielsweise
einer Präzisionsmessung
und -berechnung relativer Gehäuse-
und Rotormontage-Abmessungen sowie dem Einschluss kompensierender
Komponenten, einschließlich
Beilagscheiben oder dergleichen. Zusätzlich zu einer präzisen maschi nellen
Bearbeitung und Montage müssen
auch andere Faktoren berechnet und kompensiert werden, wie beispielsweise die
inneren Rotorgaskräfte.
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Die
FR 601,691 A offenbart
eine Luftverdichteranordnung, bei der der Freiraum zwischen einem Ausgabeende
des Rotors und einem Gehäuse
des Verdichters durch eine Schraube eingestellt wird.
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Gemäß einem
Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist eine Luftverdichteranordnung
mit einem Gehäuse
vorgesehen, das ein Einlassende und ein Ausgabeende aufweist; mit
einer inneren Arbeitskammer innerhalb des Gehäuses, die in einer Ausgabeendfläche an dem
Ausgabeende des Gehäuses
endet; mit mindestens einem Rotor, der für eine Drehung und eine axiale
Bewegung innerhalb der Arbeitskammer angebracht ist, wobei der Rotor ein
Ausgabeende hat; mit mindestens einem Axialdruckkolben, der sich
von dem Rotor erstreckt, wobei ein Teil des Axialdruckkolbens innerhalb
einer ersten Axialdruckkolbenkammer angeordnet ist; sowie mit einer
der Axialdruckkolbenkammer zugeordneten Druckquelle; wobei das Ausgabeende
des Rotors eine darin festgelegte Stufe aufweist und wobei die Druckquelle
zwischen einem Zustand mit hohem Druck, in dem ein hoher Axialdruck
derart erzeugt wird, dass der Axialdruckkolben den Rotor axial zu der
Ausgabeendfläche
hin bewegt und dass die Rotorstufe an der Gehäuseausgabeendfläche anstößt, und
einem Zustand mit verringertem Druck steuerbar ist, in dem der Axialdruck
verringert ist und sich der Rotor von der Ausgabeendfläche weg
bewegt.
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In
dem Hochdruckzustand wird der hohe Axialdruck derart erzeugt, dass
der Axialdruckkolben axial zu dem Ausgabeende hin bewegt wird und
die Rotorstufe an der Gehäuseausgabeendfläche anstößt, um den
Rotor genau mit der gewünschten
Ausgabeendweite anzuordnen. Dieser Zustand wird im allgemeinen als
der "geladene" oder "belastete" Zustand bezeichnet,
während
dem das Luftende im allgemeinen verdichtete Luft an die vorgesehene
Anwendung abgibt. In dem Zustand des verringerten Drucks wird der
Axialdruck verringert und die Rotorstufe bewegt sich von der Ausgabeendfläche weg, um
dem Rotor einen Freilauf zu ermöglichen.
Dieser Zustand wird im allgemeinen als der "ungeladene" oder "unbelastete" Zustand bezeichnet, während dem
verdichtete Luft nicht von dem Luftende an die vorgesehene Anwendung
abgegeben wird.
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Gemäß einem
anderen Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren
zum Anbringen eines Rotors innerhalb einer Luftverdichterkammer
mit einer gewünschten
Ausgabeendweite vorgesehen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
Vorsehen eines Gehäuses,
das ein Einlassende und ein Ausgabeende mit einer inneren Arbeitskammer
dazwischen aufweist, mit einer inneren Ausgabeendfläche an dem
Ausgabeende der Arbeitskammer, und mit einer Axialdruckkolbenkammer;
Vorsehen eines Rotors, der eine Ausgabeendfläche aufweist; Anbringen des
Rotors in dem Gehäuse;
Vorsehen eines dem Rotor zugeordneten Axialdruckkolbens, von dem
ein Teil in der Axialdruckkolbenkammer angeordnet werden kann; und
Steuern des Drucks in der Axialdruckkolbenkammer; Versehen der Ausgabeendfläche des
Rotors mit einer Stufe, die eine Tiefe gleich der gewünschten
Ausgabeendweite aufweist, wobei sie sich davon erstreckt, wobei
die Ausgabeendfläche
und die Stufe zu der Gehäuseausgabeendfläche hin
gerichtet sind; und Steuern des Drucks in der Axialdruckkolbenkammer zwischen
einem Zustand hohen Drucks, in dem ein hoher Axialdruck derart erzeugt
wird, dass der Axialdruckkolben den Rotor axial zu dem Ausgabeende hin
bewegt und dass die Rotorstufe an der Gehäuseausgabeendfläche anstößt, und
einem Zustand verringerten Drucks, in dem der Axialdruck verringert ist
und sich der Rotor von der Ausgabeendfläche weg bewegt.
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Für ein besseres
Verständnis
der Erfindung und um zu zeigen, wie diese zur Wirkung gebracht werden
kann, wird jetzt beispielhaft Bezug auf die beigefügten Zeichnungen
genommen, in denen:
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1 eine
schematische Draufsicht einer Luftverdichteranordnung im Längsquerschnitt
ist;
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2 eine
gesprengte Teilansicht des Ausgabeendes des Luftverdichters aus 1 ist;
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3 eine
Draufsicht eines bevorzugten Axialdruckkolbenkammerventils in einer
geschlossenen Position im Längsquerschnitt
ist; und
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4 eine
Draufsicht des Axialdruckkolbenkammerventils aus 3 in
einer geöffneten
Position im Längsquerschnitt
ist.
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Unter
Bezugnahme auf 1 weist eine Luftverdichteranordnung 10 ein
Gehäuse 20 auf,
das ein Einlassende 22 und ein Ausgabe- oder Auslassende 24 hat.
Eine innere Arbeitskammer 26 ist zwischen den Enden 22 und 24 festgelegt
und endet in einer Ausgabeendefläche 27 in
der Nähe
des Ausgabeendes 24. Ein Luftzug- oder Luftendeeinlass 28 und
ein Öleinlass 30 erstrecken
sich in die Arbeitskammer 26 hinein zu dem Einlassende 22 des
Gehäuses 20 hin.
Eine Ausgabeöffnung 32 verlässt die Arbeitskammer 26 in
der Nähe
des Ausgabeendes 24. Die Luft/Öl-Mischung, die die Ausgabeöffnung 32 verlässt, geht
im allgemeinen zu einem Separatortank 34. Das aus der Luft/Öl-Mischung
abgetrennte Öl
wird von dem Separatortank 34 über den Öleinlass 30 zu der
Luftverdichteranordnung 10 zurückgeführt. Die komprimierte Luft
wird von dem Separatortank 34 über eine Leitung 35 an
eine vorgesehene Anwendung abgegeben, beispielsweise ein pneumatisches Werkzeug.
Das Gehäuse 20 kann
druckgegossen, maschinell hergestellt sein oder dergleichen, und
es ist vorzugsweise aus Aluminium hergestellt, aber es kann auch
aus anderen Materialien hergestellt sein, beispielsweise aus Gusseisen.
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Vorzugsweise
ist ein Paar komplementärer Rotoren 40 und 50 innerhalb
der Arbeitskammer 26 gehalten. Während ein Paar von Rotoren 40, 50 bevorzugt
wird, versteht es sich, dass auch mehr oder weniger Rotoren verwendet
werden können.
Jeder Rotor 40, 50 hat eine Rotorwelle 42, 52,
die in einem Paar von Radiallagern 44, 54 an gegenüberliegenden
Enden des Gehäuses 20 gelagert
ist. Die Radiallager 44, 54 sind vorzugsweise
hydrodynamische Lager, aber auch andere Lager können verwendet werden, wie
beispielsweise Wälzkörperlager.
Die Radiallager 44, 54 tragen die betreffenden
Rotorwellen 42, 52 für eine Drehung und axiale Bewegung.
Eine der Rotorwellen 42 erstreckt sich von dem Gehäuse 20 und
greift in einen Antriebsmechanismus ein (nicht dargestellt), der
die gewünschte
Rotationsbewegung des Rotors 40, 50 liefert.
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Ein
Ende jeder Rotorwelle 42, 52 endet in einem Axialdruckkolben 46, 56,
der innerhalb einer entsprechenden Axialdruckkolbenkammer 48, 58 angeordnet
ist. Wie es in 1 dargestellt ist, können die Axialdruckkammern 48, 58 an
gegenüberliegenden Enden
des Gehäuses 20 angeordnet
sein. Eine derartige Anordnung gestattet es, dass die Axialdruckkolben 46, 56 größtmögliche Durchmesser
haben, ohne dass sie sich gegenseitig stören. Jedoch können auch
andere Konfigurationen verwendet werden, einschließlich Seite
an Seite angeordneten Axialdruckkolben. Jede Kammer 48, 58 wird über eine Ölzufuhrleitung 72 mit Öl versorgt,
die sich von einem Ölreservoir 70 neben
dem Ausgabeende 24 des Gehäuses 20 erstreckt.
Das Ölreservoir 70 kann
einstückig
mit dem Gehäuse 20 ausgebildet
sein, oder es kann als gesonderte Komponente ausgebildet sein. Die Ölversorgungsleitung 72 tritt
in jede Kammer 48, 58 derart ein, dass Öl bei einem
Abgabedruck an die Kammer 48, 58 zugeführt wird.
Leitungen 61, 62 belüften die Axialdruckkammern 48, 58 an
den gegenüberliegenden
Seiten der Axialdruckkolben 46, 56 auf einen Einlassdruck
derart, dass eine Nettodifferenzialkraft von jedem Axialdruckkolben 46, 56 erzeugt wird,
wodurch die jeweiligen Rotoren 40, 50 zu dem Ausgabeende 24 des
Gehäuses 20 hin
gedrückt
werden. Jeder Axialdruckkolben 46, 56 hat eine
Druckfläche 47, 57 ausreichender
Größe derart,
dass, wenn sich die Luft verdichteranordnung 10 in einem
geladenen Zustand befindet, die Axialdruckkraft an jedem Kolben 46, 56 in
der Richtung des Ausgabeendes größer ist
als die entgegengesetzten Rotorgaskräfte A, B, die von den rotierenden
Rotoren 40, 50 erzeugt werden. Die Axialdruckkräfte treiben
dadurch die betreffenden Rotoren 40, 50 axial
an, bis jedes Rotorausgabeende 41, 51 an der Gehäuseausgabeendfläche 27 anstößt.
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Unter
Bezugnahme auf 2 ist jeder Rotor 40, 50 mit
einer Stufe 43, 53 ausgebildet, die sich von seiner
Ausgabeendfläche 41, 51 erstreckt.
Die Stufen 43, 53 sind mit einer Höhe ausgebildet,
die gleich der gewünschten
Ausgabeendweite 60 ist, dem Abstand zwischen dem nicht-gestuften
Teil jeder Rotorausgabeendfläche 41, 51 und
der Gehäuseausgabeendfläche 27.
Als solches drücken
die Axialdruckkolben 46, 56 die Rotoren 40, 50 in
axialer Richtung, bis die Stufen 43, 53 die Gehäuseausgabeendfläche 27 berühren, wodurch
die gewünschte
Ausgabeendweite 60 für
jeden Rotor 40, 50 genau definiert wird. Zusätzlich zu
dem Definieren der Ausgabeendweite 60 definieren die Stufen 43, 53 auch
eine Axialdrucklagerfläche
minimaler Größe, d. h.,
dass der Durchmesser jeder Stufe 43, 53 wesentlich
kleiner ist als der Durchmesser der betreffenden Rotorausgabeendfläche 41, 51. Öl, das innerhalb
der Axialdruckkolbenkammern 48, 58 fließt, fließt durch
die betreffenden Lager 44, 54 und zwischen die
Axialdruckflächen 45, 55 und
die Ausgabeendfläche 27,
wodurch ein hydrodynamisches Axialdrucklager gebildet wird, das eine
minimierte Kontaktfläche
für jeden
Rotor 40, 50 hat. Während ein Aluminiumgehäuse 20 bevorzugt wird,
da es eine richtige Lageroberfläche
für die
Flächen 45, 55 bildet,
gestattet die kontinuierliche Ölbeschichtung
ein verschleißfreies
Lager selbst dann, wenn andere Materialien für die Axialdruckfläche verwendet
werden.
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Unter
Bezugnahme wiederum auf 1 bewegen sich die Rotoren 40, 50 durch
ein Aufbringen oder Wegnehmen eines Axialkolbendrucks zu der Ausgabeendfläche 27 des
Gehäuses 20 hin
oder von dieser weg, wodurch sie entweder Luft pumpen (geladener
Zustand) oder freilaufen (ungeladener Zustand). Um die wechselnden
Bedingungen zu ermöglichen,
weist die bevorzugte Verdichteranordnung 10 ein Ausgabeöffnungsrückschlagventil 80 und
ein Ölstopventil 84 auf.
Das Ausgabeöffnungsrückschlagventil 80 ist
so konfiguriert, dass es den Ausgabeöffnungsdurchgang 32 schließt, wenn
sich die Rotoren 40, 50 in dem unbeladenen Zustand
befinden, wodurch die Hochdruckluft in dem Separatortank 34 eingeschlossen
wird und wodurch es den Rotoren 40, 50 ermöglicht wird,
bei atmosphärischem
Druck freizulaufen. Ein derartiges Entladen verringert die Energieanforderungen
der Verdichteranordnung 10.
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Das Ölstopventil 84 ist
so konfiguriert, dass es den Öleinlass 30 schließt, wenn
sich die Rotoren 40, 50 in dem unbeladenen Zustand
befinden, um ein Überfluten
der Arbeitskammer 26 mit Öl zu verhindern. Wenn die Verdichteranordnung 10 in
einem geladenen oder ungeladenen Zustand arbeitet, ist es jedoch
erforderlich, einen Ölfluss
in den Rotorradiallagern 44, 54 aufrecht zu erhalten.
Während
eine Ölströmung um
die Axialdrucklager 45, 55 vorteilhaft ist, ist
diese im allgemeinen in dem ungeladenen Zustand nicht erforderlich,
da sich die Rotoren 40, 50 von der Gehäuseausgabeendfläche 27 weg
bewegen, wie es hier im folgenden im Detail weiter beschrieben wird.
Die erwünschte Ölströmung wird
von dem Ölreservoir 70 geliefert.
Während
des geladenen Betriebs tritt die Hochdruck-Luft/Öl-Mischung aus der Ausgabeöffnung 32 aus,
wobei Öl
das Ölreservoir 70 füllt und überschüssiges Öl mit der Luft/Öl-Mischung
zu dem Separatortank 34 geleitet wird. Der Eintritt in
das Ölreservoir 70 befindet
sich vorzugsweise an dem Boden der Ausgabeöffnung 32, so dass Öl, das durch
die Ausgabeöffnung 32 fließt, durch
die Schwerkraft in das Ölreservoir 70 fließt. Öl in dem
Reservoir 70 wird durch die Ölzufuhrleitungen 72 zu
den Axialdruckkolbenkammern 48, 58 geleitet. Das Öl, das in
jede Kammer 48, 58 eintritt, strömt zu dem
Radiallager 44 bzw. 54 neben der Kammer 48, 58.
Zusätzlich
erstreckt sich eine zweite Ölleitung 74 von
jeder Kammer 48, 58 zu dem benachbarten Lager 44, 54 der
anderen Rotorwelle 42, 52. Somit ermöglicht es
eine zweite Ölleitung 74 Öl, von der
Axialdruckkolbenkammer 58 zu dem Luftendelager 44 zu
fließen,
und die andere zweite Ölleitung 74 ermöglicht es Öl, von der
Axialdruckkolbenkammer 48 zu dem Ausgabeendelager 54 zu
fließen. Wenn
die Verdichteranordnung 10 ungeladenen ist, schließen das
Ausgabeöffnungsrückschlagventil 80 und
das Ölstopventil 84,
und die Rotoren 40, 50 laufen bei atmosphärischem
Druck frei. Obwohl sich das Ölreservoir 70 ebenfalls
auf atmosphärischem
Druck befindet, ist es oberhalb der Axialdruckkolbenkammern 48, 58 sowie
der Lager 44, 54 so angeordnet, dass die Schwerkraft
bewirkt, dass das Öl
zu den Kammern 48, 58 und den Lagern 44, 54 fließt. Öl, das durch
die Lager 44, 54 in die Arbeitskammer 26 tritt, wird
von den sich drehenden Rotoren 40, 50 zu der Ausgabeöffnung 32 hin
geschleudert, so dass es zurück
in das Reservoir 70 fließt, von wo aus es erneut umlaufen
kann.
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1 zeigt
eine bevorzugte Ausführungsform
des Ausgabeöffnungsrückschlagsventils 80 und des Ölstopventils 84.
Die Ventile 80 und 84 sind durch eine einzige
Anordnung aus einem Stab 86 und einem Ventilkopf 88 gebildet.
Der Ventilkopf 88 ist an dem Stab 86 angebracht,
der sich in der Nähe der
Ausgabeöffnung 32 sowie
des Öleinlasses 30 erstreckt.
Um beide Ventile 80 und 84 zu schließen, bewegt
sich der Stab 86 axial derart, dass der Stab 86 den Öleinlass 30 verschließt und dass
sich der Ventilkopf 88 in die Bahn der Ausgabeöffnung 32 hinein bewegt
und diese verschließt.
Wenn sich die Rotoren 40, 50 in dem unge ladenen
Zustand befinden, ist der Druck in der Ausgabeöffnung 32 geringer
als der Druck in dem Separatortank 34. Während Luft
versucht, von dem Separatortank 34 zurück durch die Öffnung 32 zu
strömen,
drückt
sie den Ventilkopf 88 in die geschlossene Position. Eine
Feder oder dergleichen (nicht dargestellt) kann vorgesehen sein, um
den Stab 86 in Richtung der geschlossenen Position vorzuspannen.
Beide Ventile 80 und 84 werden durch eine Luftströmung von
der Ausgabeöffnung 32 in
dem geladenen Zustand offen gehalten, wodurch der Ventilkopf 88 in
die offene Position gedrückt
wird.
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Nachdem
die Komponenten der bevorzugten Verdichteranordnung 10 beschrieben
worden sind, wird jetzt ihr Betrieb unter Bezugnahme auf die 1 und 2 beschrieben.
Das Beladen und Entladen der Verdichteranordnung 10 wird
durch die Steuerung des Drucks in den Axialdruckkolbenkammern 48 und 58 gesteuert.
Um die Verdichteranordnung 10 zu entladen, werden die Kammern 48 und 58 zu
dem Einlassende 22 des Verdichtergehäuses 20 hin belüftet. Der
Druck in den Kammern 48, 58 ist auf atmosphärischem
Druck, so dass die Rotorgaskraft A, B größer ist als der Axialkolbendruck,
wodurch sich die Rotoren 40 und 50 von der Ausgabeendfläche 27 weg
bewegen, wodurch die Ausgabeendweite 60 erhöht wird.
Obwohl die Ausgabeweite 60 relativ groß ist, ist der Druck an der
Ausgabeöffnung 32 größer als
der Einlassdruck. Um die Verdichteranordnung 10 zu beladen,
werden die Belüftungsleitungen
zu den Kammern 48, 58 geschlossen, und der höhere Ausgabeendedruck
wird auf das Ölreservoir 70 aufgebracht
und damit wiederum auf die Kammern 48 und 58.
Die Erhöhung
des Drucks in den Axialdruckkammern 48 und 58 erhöht die Axialdruckkräfte, was
bewirkt, dass die Rotoren 40, 50 anfangen, sich
axial zu der Ausgabeendfläche 27 hin
zu bewegen, wodurch die Ausgabeendweite 60 verringert wird.
Die verringerte Ausgabeendweite 60 bewirkt einen größeren Ausgabeöffnungsdruck,
was den Ölreservoirdruck erhöht und damit
wiederum den Druck in den Kammern 48, 58. Der
Prozess setzt sich fort, bis die Verdichteranordnung 10 mit
den Stufen 43 und 53 gegen die Ausgabeendfläche 27 vollständig geladen
ist, wodurch die erwünschte
Ausgabeendweite 60 genau definiert ist.
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Eine
bevorzugte Ventilanordnung 100, die zur Belüftung der
Axialdruckkolbenkammern 48, 58 verwendet wird,
ist in den 3 und 4 dargestellt.
Eine individuelle Ventilanordnung 100 kann für jede Kammer 48, 58 verwendet
werden, oder eine gemeinsame Ventilanordnung kann verwendet werden,
um beide Kammern 48, 58 gleichzeitig zu steuern.
Die Ventilanordnung 100 umfasst ein Ventilgehäuse 102 mit
einer inneren Kammer 104. Ein Einlassdurchgang 106 von
der Axialdruckkolbenkammer 48, 58 erstreckt sich
in die Ventilkammer 104 in Ausrichtung mit einem Auslass 108 von
der Kammer 104 zu dem Verdichterluftendeeinlass 28.
Ein Kolbenelement 110, das einen Durchgangsbereich 111 aufweist,
ist in der Kammer 104 zwischen dem Einlassdurchgang 106 und
dem Auslass 108 angeordnet. Das Kolbenelement 110 ist
innerhalb der Kammer 104 axial derart beweglich, dass der
Durchgangsbereich 111 mit dem Einlassdurchgang 106 und
dem Auslass 108 ausgerichtet (offen) oder gegenüber diesen
versetzt (geschlossen) sein kann. Eine Feder 112 oder dergleichen
spannt das Kolbenelement 110 in die versetzte, geschlossene
Position vor. Ein zweiter Einlass 114 von dem Separatortank
tritt an der der Feder gegenüberliegenden
Seite des Kolbenelements 110 in die Ventilkammer 104 ein.
Die Feder 112 wird derart ausgewählt, dass sie eine axiale Bewegung
des Kolbenelements 110 verhindert, bis der Druck in dem
Separatortank 34 einen vorgewählten Wert erreicht. Sobald
der Separatortankdruck den vorgewählten Wert erreicht, wird die
Federkraft überwunden,
und das Kolbenelement 110 bewegt sich in die ausgerichtete,
offene Position (siehe 4), wodurch die Axialdruckkolbenkammer 48, 58 zu
dem Luftendeeinlass 28 hin belüftet wird. Mit dieser Konfiguration
kann die Verdichteranordnung 10 gesteuert werden, um einen
gewünschten
Druck innerhalb des Separatortanks 34 zu speichern und
freizulaufen, bis der Druck durch Luftverwendung abgebaut wird,
zu welcher Zeit das Ventil 100 schließt und die Verdichteranordnung 10 in
den geladenen Betrieb zurückkehrt.