Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Spiralverdrängermaschine.
Beschreibung des Standes der Technik
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Eine herkömmliche Spiralverdrängungsmaschine weist im allgemeinen ein Paar von
Triebkränzen gleicher Form mit einer bestimmten Dicke auf, die im Uhrzeigersinn
oder im Gegenuhrzeigersinn gewundene Triebkranzzähne besitzen, die um 180º
gegeneinander phasenverschoben in Eingriff stehen, wobei ein Triebteil feststehend
angeordnet ist und der andere Triebteil eine kreisförmige, aber nicht rotierende
Bewegung in bezug auf den feststehenden Teil ausführt. Ein Fluid wird zwischen die Paare
von Triebkranzzähnen eingeführt, und das Fluidvolumen wird fortschreitend gegen die
Mitte eines Raumes, der durch die paarweisen Triebkranzzähne gebildet wird,
reduziert und komprimiert. Wie in Fig. 3 gezeigt, ist der Triebkranzzahn als aus einer
Mehrzahl von kontinuierlichen Halbkreisen bestehend anzusehen. Wenn R für den
Radius eines kleinsten Halbkreises R1 in der oberen Hälfte des Zahnes in bezug auf die
Mittenlinie steht, hat ein kleinster Halbkreis in der unteren Hälfte einen Radius von 2R,
ein zweiter Halbkreis R3 in der oberen Hälfte hat einen Radius von 3R, und ein
zweiter Halbkreis R4 in der unteren Hälfte hat einen Radius von 4R, wobei alle diese
Halbkreise kontinuierlich ausgebildet sind. Diese Triebkranzzähne sind so konstruiert, daß
sie miteinander von ihren Enden gegen ihre Mitten während des Kompressionshubes in
Eingriff kommen.
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Um diese Bewegung zu ermöglichen, sind Lager, die die Triebkränze abstützen, im
allgemeinen außerhalb einer Triebkranzscheibe vorgesehen, und ein
Kurbelzapfenmechanismus ist zur Gewährleistung der Kreisbewegung normalerweise auf einem
äußeren peripheren Teil der Scheibe befestigt.
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Ein Beispiel für eine herkömmliche Triebkranzzahnkonstruktion ist in der japanischen
Patentanmeldung Nr. Showa 64-1674 beschrieben.
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Bei einer herkömmlichen Spiralverdrängermaschine treten folgende Probleme auf.
Obgleich in Bezug auf die Form der Triebkranz-Zähne diese so ausgebildet sind, daß die
Fluidkompression bis zum zentralen Teil der Zähne stattfinden kann, wenn die
Maschine als Kompressor angesehen wird, ist eine relativ große Abgabeöffnung in der
Mitte für den Abgabedruck von 7 kgf/cm² vorhanden. Damit kommt der komprimierte
Raum höchstens in Verbindung mit der Abgabeöffnung, bevor die Kompression den
zentralen Teil erreicht. Dies bedeutet, daß der Mechanismus des zentralen Teiles nicht
effektiv ausgenutzt wird. Die Abgabeöffnung ist in Fig. 2 mit 3a bezeichnet.
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Weil die Triebkranzzähne mit dem zentralen Teil in Eingriff kommen, sind die die
Rotation und die Kreisbewegung stützenden Lager ferner außerhalb der kreisförmigen
Triebkranzscheibe in Richtung des Antriebswellenendes angeordnet. Dies bedeutet,
daß die sich kreisförmig bewegende Triebkranzscheibe nur auf einer Seite von dem
Lager abgestützt wird, wodurch die Genauigkeit der kreisförmigen Bewegung
benachteiligt wird. Damit ist es unmöglich, die Länge des Triebkranzzahnes zu vergrößern.
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Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß die Lagerung nicht an der Stelle angebracht
werden kann, an der sie in wirksamer Weise eine radiale Last aufnehmen kann, die auf
den Triebkranzzahn wirkt, der den Kompressionshub ausführt. Weil das Lager
außerhalb der Triebkranzscheibe installiert ist, wird dem Lager ein Moment aufgegeben, das
ein Produkt aus der radialen, auf den Triebkranzzahn wirkenden Last, und dem
Abstand zu der Position, an der das Lager befestigt ist, darstellt. Damit muß das Lager
aufgrund des Momentes eine extrem hohe, die Belastung aufnehmende Festigkeit
aufweisen. Diese Lagerposition bringt auch das Problem mit sich, daß zusätzlicher Raum in
Richtung der Achse erforderlich wird.
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Um eine kreisförmige Bewegung ohne Rotieren des Triebkranzes zu erzielen, wurde
bisher üblicherweise ein Kurbelzapfen verwendet. Der Kurbelzapfen ist in der Regel
am äußeren Umfang der Triebkranzscheibe befestigt. Wegen dieser
Befestigungspositi
on ist der Kurbelzapfen nicht frei von Instabilität, die durch Expandieren der
kreisförmig bewegten Triebkranzscheibe und der sich addierenden Fehler in der
Befestigungsdimension von Lager, Scheibe und Gehäuse ergeben. Einer der Schritte, um diese
Probleme zu lösen, besteht darin, eine stoßabsorbierende Anordnung in dem
Kurbelzapfenlager zu installieren. Diese Anordnung bewirkt jedoch, daß der sich kreisförmig
bewegende Triebkranz während der kreisförmigen Bewegung in Vibrationen kommt.
Diese Konstruktionen sind in den Fig. 1 und 2 dargestellt.
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In bezug auf die Vergrößerung der Kapazität, die eine der wesentlichen Anforderungen
des Marktes sind, ist Genauigkeitsproblem durch die vergrößerte
Triebkranz-Zahnlänge gegeben. Um dieses Problem zu lösen, besteht ein herkömmliches Verfahren
darin, den sich kreisförmig bewegenden Triebkranz in Zwillingsform auszubilden. Das
heißt, daß zwei sich kreisförmig bewegende Triebkranzzähne auf beiden Seiten der
mittleren Spiegelscheibe ausgebildet sind und zwei feststehende Triebkränze
vorgesehen sind, die mit den sich kreisförmig bewegenden Triebkranzzähnen auf der linken
und der rechten Seite vorgesehen sind. Diese Methode kann die Länge der
Triebkranzzähne kürzen und damit das Genauigkeitsproblem lösen. Da die linken und rechten,
sich kreisförmig bewegenden Triebkranzzähne symmetrisch in bezug auf die
zentrische, spiegelbildliche Scheibe ausgebildet sind, ergibt das Ungleichgewicht eine
dynamische Unbalance während der kreisförmigen Bewegung. Um dieses dynamische
Ungleichgewicht auszugleichen, muß ein großes Balancegewicht installiert werden.
Die Konstruktion der herkömmlichen Zwillingsanordnung ist in Fig. 9 gezeigt, wie sich
aus der jap. Patentanmeldung Nr. 1-38162 ergibt. Eine weitere herkömmliche
Maschine ist in US-A 4677949 gezeigt, auf die sich der Oberbegriff des Anspruches 1 bezieht.
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Weil diese Korrektur des dynamischen Ungleichgewichtes zusätzlichen Raum und
Kosten verursacht, ist es nicht möglich, die Exzentrizität zu vergrößern, eine Möglichkeit,
um die Abgabeleistung entscheidend zu verbessern, d. h., daß die Vergrößerung der
Leistung der Zwillings-Spiralverdrängermaschine schwierig ist.
Beschreibung der Erfindung
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Gemäß der Erfindung ist bei dem sich kreisförmig bewegenden Triebkranz eine
Spiegelscheibe in der Mitte installiert, auf deren beiden Seiten linke und rechte, sich
kreisförmig bewegende Triebkranzzähne in einer sog. Zwillings-Ausführung angeordnet
sind, wobei die linken und die rechten Zahnsätze um 180º gegeneinander
phasenverschoben sind. Mit anderen Worten heißt dies, daß die linken und die rechten Zähne
die gleichen Positionen einnehmen, wenn sie um 180º um die Antriebswellenachse
gedreht werden.
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Insbesondere wird gemäß der Erfindung eine abgeglichene Spiralverdrängermaschine
nach dem Anspruch 1 vorgeschlagen.
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Die sich kreisförmig bewegende Triebkranz-Spiegelscheibe ist an mehreren
Kurbelzapfen befestigt, die ein Lager an zwei oder mehr Stellen längs des äußeren Umfangs der
Spiegelscheibe aufweisen, um die Rotation des sich kreisförmig bewegenden
Triebkranzes während der kreisenden Bewegung zu verhindern.
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Die feststehenden Triebkränze, die mit den linken und rechten, sich kreisförmig
bewegenden Triebkranzzähnen in Eingriff kommen, sind ebenfalls um 180º gegeneinander
phasenverschoben angeordnet. Das heißt, daß dann, wenn der feststehende linke
Triebkranz den Saughub gerade abschließt, der rechte, feststehende Triebkranz den
Saughub gerade beginnt, der 180º gegenüber dem Saughub versetzt ist.
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Wie vorstehend erwähnt, sind, weil die linken und rechten kreisförmig umlaufenden
Triebkränze auf beiden Seiten der mittleren Spiegelscheibe mit dem rechten Triebkranz
an einer Stelle angeordnet, die 180º von dem linken Triebkranz entfernt gedreht ist,
die Hälften des sich kreisförmig bewegenden Triebkranzes, die durch eine durch die
Antriebswellenachse G (nach Fig. 7) gehende Linie geteilt sind, exakt miteinander im
Gleichgewicht. Es sei bemerkt, daß die Gewichtskorrektur, die dem Lager 59
zugeordnet ist, durch Ausbilden von Bohrlöchern in dem Ansatz erfolgen muß.
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Da der sich kreisförmig bewegende Triebkranz so ausgebildet sein kann, daß er genau
abgeglichen ist, besteht keine Notwendigkeit, ein Abgleichgewicht zu installieren.
Fer
ner muß bei dieser Konfiguration, wenn der Wert der Exzentrizität vergrößert wird, nur
die Spiegelscheibe vergrößert werden und die Hälften des Triebkranzes bleiben im
Hinblick auf das Gewicht abgeglichen, so daß die Abgabekapazität leicht vergrößert
werden kann, indem die Exzentrizität vergrößert wird, ohne daß die Vibrationen
erhöht werden. Weil die Kompression jeweils auf einer Seite des linken oder rechten
Triebkranzes vorgenommen wird, nimmt die Pulsation während des
Kompressionshubes auf die Hälfte der Größe des herkömmlichen Wertes ab.
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Wie in Fig. 8 gezeigt, ergibt dann, wenn ein Abdichtteil auf beiden Seiten der
Spiegelscheibe und längs des äußeren Umfangs der Scheibe ausgebildet wird, diese
Konfiguration den gleichen Effekt wie die aus zwei Blöcken bestehende parallele Anordnung des
Triebkranz-Kompressionsabschnittes. Diese Konfiguration hat den Vorteil, daß, weil
die parallelen Blöcke bei der Ausführung einer Serie von Vorgängen - Saugwirkung,
Kompression und Abgabe - abwechseln, die Kompressionshübe auf beiden Seiten
vollständig voneinander isoliert sind, so daß parallele Zweiweg-Anlagen gleichzeitig
arbeiten können, z. B., wenn der rechte Block als Kompressor und der linke Block als
Vakuumpumpe arbeitet.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Fig. 1 zeigt eine vertikale Querschnittsansicht einer herkömmlichen
Spiralverdrängermaschine im der Kurbelzapfenposition,
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Fig. 2 eine Querschnittsansicht, die die herkömmlichen Triebkranzzähne in Eingriff
miteinander zeigen,
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Fig. 3 ein schematisches Diagramm, das den herkömmlichen Triebkranzzahn zeigt,
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Fig. 4 eine vertikale Schnittansicht einer Ausführungsform der Erfindung,
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Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Überlappungskonstruktion des linken
Triebkranzzahnes in einer Zwillings-Spiralverdrängermaschine nach der
Erfindung,
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Fig. 6 eine schematische Anordnung einer Überlappungskonstruktion des rechten
Spiralzahnes in einer Zwillings-Spiralverdrängermaschine gemäß der Erfindung,
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Fig. 7 eine schematische Darstellung einer sich kreisförmig bewegenden
Spiralkonstruktion einer Ausführungsform der Erfindung,
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Fig. 8 eine vertikale Schnittansicht einer zusammengesetzten
Spiralverdrängermaschine in einer Ausführungsform nach der Erfindung,
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Fig. 9 eine schematische Schnittansicht, die die Konstruktion einer herkömmlichen
Spiralverdrängermaschine zeigt.
Detaillierte Beschreibung, der bevorzugten Ausführungsform
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Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend in Verbindung mit den Fig.
4-8 beschrieben. Mit 51 ist ein linker Rahmen bezeichnet, der Lager aufnimmt, die
eine Teilwelle 55a aufnehmen. Die Teilwelle 55a ist mit einer Antriebswelle 55
ausgerichtet und nimmt eine exzentrische Antriebswelle 55b auf. Mit 52 ist ein rechter
Rahmen bezeichnet, der Lager 57, 58 zur Abstützung der Antriebswelle 55 aufnimmt. 53
bezeichnet eine Spiegelscheibe eines sich kreisförmig bewegenden Triebkranzes mit
Triebkranzzähnen 53a, 53b auf beiden Seiten. Die Triebkranzzähne 53a, 53b sind um
180º phasenverschoben gegenüber der Antriebswelle 55 ausgebildet, um dazwischen
einen Gewichtsausgleich zu erzielen. Fig. 7 zeigt die Position des Triebkranzzahnes
des sich kreisförmig bewegenden Triebkranzes. Mit 54 ist ein Keil bezeichnet, der
sicher und exakt den Eingriff zwischen der exzentrischen Antriebswelle 55b und der
Teilwelle 55a fixiert. Eine Abgabeöffnung 56 ist an jeden der linken und rechten
Triebkranzzähne vorgesehen. Die Lager 59 für den sich kreisförmig bewegenden Triebkranz
sind drehbar befestigt. Eine Mehrzahl von Kurbelzapfen 60 sind längs des äußeren
Umfanges des sich kreisförmig bewegenden Triebkranzes vorgesehen, um eine rotierende
Bewegung des Triebkranzes zu verhindern. Die Kurbelzapfen 60 sind um die gleiche
Exzentrizität außermittig versetzt, wie die exzentrische Antriebswelle 55b. Mit 61 ist
eine Zuführöffnung und mit 62 eine Abgabeöffnung bezeichnet. 51a weist auf einen
feststehenden Triebkranzzahn hin, der am linken Rahmen vorgesehen ist, und 52b auf
einen feststehenden Triebkranzzahn, der im rechten Rahmen vorgesehen ist.
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Die Konstruktion der Abgleich-Triebkranzzähne nach der Erfindung wird nachstehend
in Verbindung mit den Fig. 5, 6 und 7 beschrieben. Fig. 5 zeigt einen Querschnitt
durch die Triebkranzzähne-Überlappungskonfiguration längs der Linie 12-12 der Fig.
4. Fig. 6 zeigt einen Querschnitt durch die Spiralzähne-Überlappungskonfiguration
längs der Linie 11-11 der Fig. 4. Fig. 7 zeigt den sich kreisförmig bewegenden
Triebkranz in Richtung der Antriebswelle 55, wobei X-X' die Antriebswellenachse und G
den Mittelpunkt darstellen.
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Nachstehend wird der Eingriff der Triebkranzzähne erläutert.
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Fig. 5 zeigt den Eingriff zwischen dem feststehenden Triebkranz des linken Rahmens
und dem linken Zahn des sich kreisförmig bewegenden Triebkranzes, wobei der
Mittelpunkt der exzentrischen Antriebswelle 55b im Mittelpunkt G1 angeordnet ist, der
um die Exzentrizität K von der Antriebswellenachse X-X' versetzt ist. G stellt den
Mittelpunkt des sich kreisförmig bewegenden Triebkranzes dar, der einen Ansatz mit
einem Radius R1 besitzt. Die Konfiguration dieser Triebkranzzähne ist konform mit der
der Spiralverdrängungsmaschine nach der jap. Patentanmeldung Nr. Heisei 6-169906,
eingereicht am 17. Juni 1994. Der feststehende Triebkranz des linken Rahmens, der
mit dem linken Zahn des sich kreisförmig bewegenden Triebkranzes in Eingriff kommt,
ist mit seinem Mittelpunkt G2 nach abwärts außermittig um die gleiche Exzentrizität K
gegenüber der Antriebswellenachse versetzt und ist durch einen Bogen mit einem
Radius R1a um den Mittelpunkt G2 definiert. Sie kommen, wie in Fig. 5 gezeigt, in
Eingriff. Es gilt die folgende Beziehung: R1a = R1 + K + t.
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Fig. 6 zeigt den Eingriff zwischen dem feststehenden Triebkranz des rechten Rahmens
und dem rechten Zahn des sich kreisförmig bewegenden Triebkranzes, wobei die Mitte
der exzentrischen Antriebswelle 55b im Mittelpunkt G1 angeordnet ist, der nach oben
um die Exzentrizität K gegenüber der Antriebswellenachse X-X' versetzt ist.
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G stellt die Mitte des sich kreisförmig bewegenden Triebkranzes dar. Der Ansatz des
rechten Zahnes mit einem Radius von R1 ist im Gegensatz zu dem linken Zahn des
sich kreisförmig bewegenden Triebkranzes nach Fig. 5, nach oben gerichtet, d. h. in
entgegengesetzter Richtung zum linken Zahn, wie in Fig. 6 dargestellt, ausgebildet.
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Der feststehende Triebkranz des rechten Rahmens, der mit dem rechten Zahn des sich
kreisförmig bewegenden Triebkranzes in Eingriff kommt, ist mit seinem Mittelpunkt G2
in einer Richtung entgegengesetzt zu dem des feststehenden Triebkranzes des linken
Rahmens um die gleiche Exzentrizität K von der Antriebswellenachse versetzt, und ist
durch einen Bogen definiert, der einen Radius R1a um den Mittelpunkt G2 hat. Der
feststehende Triebkranz des rechten Rahmens ist in Aufwärtsrichtung ausgebildet und
steht in Eingriff wie in Fig. 6 gezeigt. Es gilt die folgende Beziehung: R1a = R1 + K + t.
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Fig. 7 zeigt die Konfiguration des sich kreisförmig bewegenden Triebkranzes 53 in
Blickrichtung der Antriebswelle 55, wobei die voll ausgezogene Linie 53b den rechten
Triebkranzzahn und die gestrichelte Linie 53a den linken Triebkranzzahn bezeichnet.
Wenn der sich kreisförmig bewegende Triebkranz 53 durch eine Linie geteilt wird, die
durch den Mittelpunkt G geht, gleichen die geteilten Hälften einander jeweils im
Gewicht vollständig ab.
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Wie in Fig. 8 gezeigt, sind Abdichtungen 63 auf beiden Seiten der Spiegelscheibe des
sich kreisförmig bewegenden Triebkranzes längs des Außenumfanges der miteinander
in Kontakt stehenden Positionen vorgesehen, um einen
Zweiwege-Kompressionsmechanismus mit Saugöffnungen 61a, 61b auszubilden. Diese Konstruktion ermöglicht,
daß jeder Triebkranzzahn für andere Zwecke verwendet wird. Beispielsweise kann ein
Triebkranzzahn für einen Kompressor verwendet werden, während der andere für eine
Vakuumpumpe verwendet wird.
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Wie in den Fig. 4-7 gezeigt, besitzt der sich kreisförmig bewegende Triebkranz 53
einen linken Triebkranzzahn und einen rechten Triebkranzzahn, die voneinander
durch die Spiegelscheibe getrennt und um 180º phasenverschoben sind. Im Zustand
des Eingriffs, bei dem der linke Triebkranzzahn ein Fluid vollständig angesaugt hat, wie
in Fig. 5 gezeigt, ist der rechte Triebkranzzahn nach Fig. 6 in bezug auf den linken
Triebkranzzahn um 180º im Kompressionshub voreilend, und der Raum F der Fig. 6
nimmt den Abgabehub ein. In diesem Moment ist der Raum F1 der Fig. 5 im
Kompressionshub.
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Bei dem herkömmlichen Zwillings-Typ arbeiten die linken und die rechten
Triebkranzzähne in den gleichen Hüben, so daß die Räume F beide in den Abgabehub
gleichzeitig eintreten. Nach der Konstruktion vorliegender Erfindung beginnen die linken und
rechten Triebkranzzähne alternativ mit dem Saughub oder dem Abgabehub, wodurch
die Pulsation auf die Hälfte reduziert wird.
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Die Vorteile dieser Ausführungsformen lassen sich wie folgt zusammenfassen:
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(1) Der sich kreisförmig bewegende Triebkranz ist als Zwillings-Typ ausgebildet, bei
dem linke und rechte Triebkranzzähne einander abgleichen, so daß keine
Notwendigkeit besteht, ein Abgleichgewicht vorzusehen, das eine geringe Vibration
und eine hohe Umdrehung ergibt.
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(2) Weil ein vollständiger Abgleich zwischen den linken und rechten, sich kreisförmig
bewegenden Triebkranzzähnen im Zwillingstriebkranz-Abgleichtyp erreicht wird,
ist es möglich, mit einer hohen Exzentrizität zu arbeiten, und damit die
Herstellung einer Spiralverdrängermaschine hoher Kapazität zu ermöglichen.
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(3) Es kann ein Zweiwege-Kompressionsmechanismus gebildet werden, der aus linken
und rechten, sich kreisförmig bewegenden Triebkränzen auf beiden Seiten der
Mitten-Spiegelscheibe des sich kreisförmig bewegenden Triebkranzes besteht. Es ist
deshalb möglich, eine einzige Maschine für unterschiedliche Zwecke, nämlich als
Kompressor und Vakuumpumpe einzusetzen.
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(4) Der kreisförmig umlaufende Zwillings-Triebkranz-Typ hat zwei sich kreisförmig
bewegende Triebkranzzähne, die um 180º phasenverschoben zueinander
angeordnet sind. Diese Anordnung reduziert die Saugwirkung und die Abgabe-
Pulsationen auf die Hälfte des Wertes einer herkömmlichen Zwillings-Type.