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Die
vorliegende Erfindung befaßt
sich mit einem Verfahren zum Regeln einer Vorrichtung zur Erzeugung
von Kaltluft zum Kühlen
von Gegenständen, die
gekühlt
werden müssen,
im Einklang mit dem Oberbegriff der Ansprüche 1 bis 3. Ferner bezieht sich
die Erfindung auf eine Vorrichtung, deren Kühlausgangsleistung reguliert
werden kann, um Kaltluft im Einklang mit den Ansprüchen 4 bis
6 zu erzeugen.
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Kühlsysteme
basieren normalerweise auf einem Zwei-Phasen-Kreislauf, in welchem ein Primärkühlmittel,
beispielsweise Freon, dazu gebracht wird, zwischen einer flüssigen Phase
und einer Gasphase zu wechseln. Ein System dieser Art besitzt im
allgemeinen eine hohe Kühlleistung
und nimmt große Mengen
von Wärme
auf, wenn das Primärkühlmittel aus
seiner flüssigen
Phase in seine Gasphase übergeht.
Es ist daher das bei der Mehrzahl von Anwendungen, einschließlich der
Klimatisierung, am meisten eingesetzte und am meisten bevorzugte
System. Jedoch ist die Ausrüstung
bei einem solchen System sowohl umfangreich als auch teuer.
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Diese
bekannten Systeme erfordern einen geschlossenen Kreislauf für ein typischerweise
umweltgefährdendes
Kühlmittel,
das von der Umgebung isoliert werden muß. Das tatsächliche Kühlen von Objekten wird mit
einem Sekundärmedium,
z. B. Luft, bewerkstelligt, die durch das Primärmedium in dem geschlossenen
Kreislauf mittels eines Wärmetauschers
gekühlt
wird.
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Es
ist seit langem bekannt, daß ein
Kühlen auch
mit einem Kühlsystem
erreicht werden kann, das entsprechend dem Kaltluftzyklus arbeitet,
der als der offene umgekehrte Joule-Brayton-Zyklus bezeichnet wird. Luft
(oder irgendeine andere gasförmige
Substanz) ist das einzige in dem Kühlkreislauf dieses Systems
eingesetzte Arbeitsmedium.
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In
einem Kühlsystem
gemäß dem Kaltluftzyklus
wird Gas, normalerweise Luft, zunächst vom Umgebungsdruck komprimiert,
wodurch sich die Temperatur des Gases erheblich erhöht. Das
heiße verdichtete
Gas wird dann in einem Wärmetauscher unter
kleinen Druckverlusten abgekühlt
and anschließend
dazu gebracht, auf Umgebungsdruck oder vorzugsweise einen etwas
höheren
Druck zu expandieren. Der Wärmeaustausch
in dem Wärmetauscher wird
normalerweise mit Umgebungsluft bewirkt. Das entspannte Gas ist
kälter
als das in den Verdichter eingeleitete Gas und kann daher zu Kühlzwecken verwendet
werden, beispielsweise zur Klimatisierung, die normalerweise bei
Umgebungsdruck stattfindet, in anderen Worten mit demselben Druck
wie der Verdichtereinlaßdruck.
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In
einem System, das gemäß dem Kaltluftzyklus
arbeitet, besteht daher kein Bedarf, ein Primärmedium zirkulieren zu lassen,
das zyklisch kondensiert und verdampft wird und von welchem die
Kälte auf
ein Sekundärmedium,
wie z. B. Luft, übertragen wird.
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Das
im Einklang mit dem Kaltluftprinzip arbeitende System besitzt eine
niedrigere Kühlleistung als
ein herkömmliches
Kühlungssystem,
das einen geschlossenen Kreislauf besitzt, das ein Primärkühlmittel,
wie z. B. Freon, einschließt.
Folglich sind die Bauelemente eines Systems, das gemäß dem Kaltluft prinzip
arbeitet, relativ groß und
auch teuer im Verhältnis
zur Kühlleistung.
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Wenn
ein Kühlkreislauf
gemäß dem Kaltluftprinzip
in einem System eingesetzt wird, in welchem das Wesen der Gegenstände, die
gekühlt
werden müssen,
so ist, daß man
einen relativ starken Druckabfall erhält, sind die an die Bauelemente
der Kühlausrüstung gestellten
Anforderungen höher,
weil der Druck aus der Kühlvorrichtung
erheblich größer als
der Umgebungsdruck sein muß.
Als Folge des erforderlichen Überdruckes
liegt die Temperatur am Entspannerauslaß höher, als wenn der Entspannerauslaßdruck näher an dem
Einlaßdruck
der Kühlvorrichtung
liegt. Es ist notwendig, diese Temperaturdifferenz mittels einer
entsprechend höheren
Verdichtung in dem Verdichter zu kompensieren, um eine zufriedenstellend
niedrige Auslaßtemperatur
am Entspanner zu erhalten. Eine Situation, in welcher dieses Problem
auftritt, ist das Einsetzen von Kaltluft zum Kühlen einer elektronischen Ausrüstung, beispielsweise
elektronischer Ausrüstung
in einem Flugzeug. Da die Luft eine große Anzahl sehr eingeengter Kanäle in dieser
letzteren Anwendung passieren muß, besitzt die Luft, die den
Entspanner verläßt, einen
erheblichen Überdruck
infolge des Strömungswiderstandes
in den Kanälen.
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Kühlsysteme,
die nach dem Kaltluftprinzip arbeiten, um Kaltluft zum Zwecke des
Kühlens
von Gegenständen
zu erzeugen, die gekühlt
werden müssen,
z. B. elektronische Bauelemente in Flugzeugen und auch Flugzeugkabinen,
sind dem Fachmann bekannt. Beispielsweise ist ein solches Kühlsystem in
dem US-Patent Nr.
5,732,560 beschrieben. Das in der US-Patentschrift beschriebene
System besitzt zwei parallele Verdichter mit Einlaß- und Auslaßmitteln,
einen Wärmetauscher,
einen Ent spanner mit Einlaß-
und Auslaßmitteln,
Verdichterzuleitungen, Verbindungsleitungen, die sich von den Verdichtern zu
einem gemeinsamen Wärmetauschereinlaß erstrecken,
und eine Leitung, die sich von den Entspannerauslaßmitteln
zu dem der Kühlung
bedürfenden Gegenstand,
beispielsweise elektronischen Bauelemente, erstrecken.
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Das
beschriebene bekannte System ist immer noch teuer, weil es zwei
Verdichter erfordert. Die Verwendung von zwei Verdichtern erlaubt
es, die Gaszufuhr zu dem Entspanner einzustellen, da wenigstens
einer der Verdichter durch separate Antriebsmittel angetrieben wird
und sein Volumen an verdichtetem Gas über die Zeit variiert werden
kann. Ein weiteres beschriebenes Verfahren zum Einstellen des Stromes
zu einem Objekt, das gekühlt
werden muß,
besteht darin, entspannte Kaltluft über ein Ventil in einer Zweigleitung
zur Umgebung abzugeben, die wahlweise in wärmetauschendem Kontakt mit
dem Wärmetauscher
des Systems steht.
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Weiterhin
beschreibt die GB-A-2 273 349 ein Verfahren zum Regeln einer Vorrichtung
zum Erzeugen von Kaltluft. Diese Vorrichtung besitzt ein durch einen
Elektromotor angetriebenes Verdichterrad zum Erzeugen eines Stromes
an das System konditionierender Luft in einem geschlossenen Kreislauf.
Der Kreislauf umfaßt
einen Lastwärmetauscher,
ein weiteres Verdichterrad, einen Wärmetauscher und ein Turbinenrad.
Die andere Seite des Lastwärmetauschers
ist mit einer Leitung zur Aufnahme warmer Luft aus einem geschlossenen
Raum verbunden. Die konditionierte Luftlast wird von dem Lastwärmetauscher
an den geschlossenen Raum durch eine zweite Leitung abgegeben. Die
Drehzahl des Motors und damit des Verdichterrades wird durch eine
elektronische Steuereinheit geregelt, um den Druckabfall über dem
Turbinenrad zu verändern
und dadurch die thermische Leistungsfähigkeit des das System konditionierenden
Luftkreislaufes zu variieren. Die elektronische Steuereinheit empfängt Signale
von einem Temperatursensor in der zweiten Leitung.
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Entsprechend
besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein regelbares
System zum Erzeugen eines Kaltluftstromes zu schaffen, dessen Temperatur
entsprechend den Kühlanforderungen
geregelt werden kann.
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Eine
weitere Zielsetzung besteht darin, ein regelbares System zu schaffen,
das nur einen Verdichter und einen Schraubenentspanner umfaßt, und auch
ein Verfahren zum Regeln eines solchen Systems.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe durch eine Vorrichtung zum Erzeugen von Kaltluft zum Kühlen von
Gegenständen,
die eine Kühlung
erfordern, die im Einklang mit einem der Ansprüche 1 bis 3 steht, gelöst.
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Das
Verfahren zum Regeln der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in den
Ansprüchen
4 bis 6 beansprucht.
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Eine
Veränderung
des Luftstromes zu dem Entspanner führt zu einer Veränderung
des Ausmaßes,
in welchem der Druck in dem Entspanner abgesenkt wird und dadurch
auch zu einer Änderung
der Temperatur der abgehenden Luft. Eine Reduzierung des Luftstromes
zu dem Entspannereinlaß führt zu einem
niedrigeren Einlaßdruck
am Entspanner und damit zu einem niedrigeren Druckabfall während der Entspannungsphase.
Diese niedrigere Druckreduzierung führt zu einem geringeren Temperaturabfall,
d. h. zu einer höheren
Temperatur der abgehenden Luft.
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Ein
durch die vorliegende Erfindung erreichter Vorteil besteht darin,
daß der
Systemdruck, d. h. der Druck zwischen den Auslaßmitteln des Verdichters und
den Einlaßmitteln
des Schraubenentspanners, reduziert werden kann, wenn sich die Kühlanforderungen
verringern. Weil die Verdichtung in einem Kaltluftsystem die höchste mechanische
Wirkung erfordert, wird weniger Leistung benötigt, wenn der Systemdruck
reduziert werden kann.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden aus den abhängigen Ansprüchen deutlich.
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Die
Erfindung wird nun mit Bezug auf eine detaillierte Beschreibung
bevorzugter Ausführungsformen
und auch mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben.
Es zeigen
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1 eine
schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kaltluftsystems;
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2 eine
schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kaltluftsystems;
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3 eine
schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kaltluftsystems;
und
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4 eine
schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kaltluftsystems.
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1 stellt
schematisch eine Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
dar, die in Reihe einen Verdichter 1, der mit einem im
wesentlichen konstanten Volumenstrom arbeitet, einen Wärmetauscher 2,
der in wärmetauschendem
Kontakt mit der Umgebungsatmosphäre
steht, und einen Schraubenentspanner 3 umfaßt. Der
Entspanner 3 arbeitet ebenfalls mit einem im wesentlichen
konstanten Volumenstrom. Eine erste Leitung 4 verbindet
die Auslaßmittel
des Verdichters mit den Einlaßmitteln
des Wärmetauschers
und eine zweite Leitung 5 ist zwischen den Auslaßmitteln
des Wärmetauschers
und den Einlaßmitteln
des Schraubenentspanners 3 angeordnet. Eine dritte Leitung 6 erstreckt
sich von den Auslaßmitteln
des Entspanners zu einem Gegenstand oder Gegenständen (nicht gezeigt), die gekühlt werden
müssen,
beispielsweise elektronische Bauelemente eines stehenden Flugzeuges
auf dem Abstellplatz. Der Gegenstand, der gekühlt werden muß, kann
als ein Teil der Leitung 6 eingeschlossen. sein. Eine Einlaßleitung 15 kann
mit den Einlaßmitteln
des Verdichters 1 verbunden werden. Der Verdichter 1 wird
durch nicht gezeigte Antriebsmittel angetrieben.
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Eine
Zweigleitung 10, die die Einlaß- und Auslaßmittel
des Entspanners kurzschließt,
ist zwischen der zweiten Leitung 5 und der dritten Leitung 6 angeordnet.
Ein Regelventil 9 ist in der Zweigleitung 10 montiert.
Das Regelventil 9 kann zwischen einer geschlossenen Stellung
und einer vollständig
geöffneten
Stellung eingestellt werden.
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Im
dargestellten Fall ist in der dritten Leitung 6 ein Temperatursensor 11 angeordnet,
obgleich er alternativ in den Auslaßmitteln des Entspanners 3 angeordnet
sein könnte.
Der Sensor 11 ist elektrisch mit einem Prozessor 7 verbunden,
der seinerseits an eine Steuervorrichtung 8 angeschlossen
ist. Die Steuervorrichtung 8 stellt den Durchflußquerschnitt des
Regelventils 9 im Verhältnis
zu der durch den Temperatursensor 11 erfaßten Temperatur
ein.
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Beim
Anlaufen der Vorrichtung wird Luft zu den Einlaßmitteln des Verdichters über die
Einlaßleitung 15 geliefert.
Die Versorgungsluft wird in dem Verdichter 1 auf einen
Druck von bis zu beispielsweise 3 bar verdichtet. Diese
Verdichtung bedeutet, daß die
Temperatur des die Auslaßmittel
des Verdichters verlassenden Luft viel höher als die Temperatur der an
den Verdichter 1 gelieferten Luft ist. Die verdichtete
Luft wird durch die Leitung 4 zu dem Wärmetauscher 2 gegeben,
in welchem ein Wärmeaustausch mit
der Umgebungsatmosphäre
bei nur leichten Druckverlusten stattfindet, wodurch die Luft gekühlt wird.
Die gekühlte,
verdichtete Luft wird durch die Leitung 5 zu dem Entspanner 3 abgegeben.
Das Ventil 9 ist geschlossen, so daß keine Luft durch die Zweigleitung 10 fließen kann.
Der Druck der Luft wird in dem Schraubenentspanner 3 reduziert,
wodurch die Temperatur der Luft beträchtlich auf eine Temperatur fällt, die
unterhalb der Temperatur der Einlaßluft des Verdichters liegt.
Die den Entspanner 3 verlassende Luft besitzt einen höheren Druck
als die Umgebungsatmosphäre,
beispielsweise einen Druck von 0,11 bis 0,15 MPa.
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Wenn
die durch den Temperatursensor 11 erfaßte Temperatur niedriger als
eine vorbestimmte niedrigste Temperatur ist, sendet der Prozessor 7 ein Signal
zu der Steuervorrichtung 8, die durch Öffnen des Ventils 9 antwortet.
Luft kann dann durch die Zweigleitung 10 zu der Leitung 6 strömen. Da
die Luft beginnt, durch das Ventil 9 zu strömen, fällt der
Druck stromabwärts
des Verdichters 1 ab Dies bedeutet, daß die zum Antreiben des Verdichters 1 erforderliche
Leistung abnimmt. Der Druckabfall über den Schraubenentspanner 3 nimmt
ebenfalls ab, was zu einem niedrigeren Temperaturabfall führt.
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Die
Temperatur der durch die Zweigleitung strömenden Luft ist höher als
die Temperatur der Luft, die in dem Entspanner 3 expandiert
worden ist. Folglich nimmt die Temperatur der Luft in der Leitung 6 nach
dem Zusammenleiten der Luftströme
aus dem Entspanner 3 und der Zweigleitung 10 zu.
Diese Temperaturveränderung
in der Leitung 6 führt
zu einer Reduktion des Durchflußquerschnittes
des Ventils 9.
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2 zeigt
eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der in 1 gezeigten
Vorrichtung. Ähnlich
der Vorrichtung gemäß 1 umfaßt die Vorrichtung
nach 2 einen Verdichter 1, einen Wärmetauscher 2,
der in wärmeaustauschendem
Kontakt mit der Umgebungsatmosphäre
steht, und einen Schraubenentspanner 3, wobei diese Bauteile
in Serie geschaltet sind. Die Zweigleitung 10 aus der Ausführungsform
nach 1 ist durch eine Zweigleitung 12 ersetzt
worden. Auch die Zweigleitung 12 ist mit einem Regelventil 9 versehen,
das durch die Steuervorrichtung 8 betätigt wird. Die Zweigleitung 12 erstreckt
sich von der Leitung 5 und mündet in eine geschlossene Arbeitskammer
des Schraubenentspanners 3. In einem Schraubenentspanner
besitzt eine Arbeitskammer ihr kleinstes Volumen, wenn sie sich
gegenüber
dem Einlaß des
Entspanners schließt.
Während
der fortgesetzten Rotation des Entspanners nimmt das Volumen der
geschlossenen Arbeitskammer zu, bis die Kammer in Kontakt mit dem
Auslaß des
Entspanners 3 gelangt. Die Zweigleitung 12 mündet in
eine Arbeitskammer, wenn deren Volumen größer als das kleinste Volumen
im Moment des Verschließens
ist.
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3 stellt
schematisch eine Vorrichtung dar, die von den zuvor beschriebenen
Vorrichtungen durch den Umstand abweicht, daß der Verdichter ein Schraubenverdichter 14 ist
und die Zweigleitung 10 aus 1 durch
eine Zweigleitung 16 ersetzt worden ist. Andere Bauteile
sind identisch zu denen der Ausführungsform
gemäß 1.
Die Zweigleitung 16 der Ausführungsform nach 3 umfaßt auch
ein Regelventil 9, das durch die Steuervorrichtung 8 betätigt wird.
Die Zweigleitung 16 verbindet die Versorgungsleitung 15 mit
den Auslaßmitteln
des Verdichters 14 oder der ersten Leitung 4.
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Beim
Anlaufen der in 3 gezeigten Vorrichtung wird
Luft über
die Einlaßleitung 15 zu
den Einlaßmitteln
des Verdichters 14 geliefert. Die Versorgungsluft wird
in dem Verdichter 1 auf einen Druck von beispielsweise 3 bar
verdichtet. Als eine Folge dieser Verdichtung liegt die Temperatur
der die Auslaßmittel
des Verdichters 14 verlassenden Luft viel höher als
die Temperatur der dem Verdichter zugeführten Luft. Das Ventil 9 ist
geschlossen, so daß keine
Luft in der Lage ist, durch die Zweigleitung 16 zu strömen. Die
verdichtete Luft wird durch die Leitung 4 zu dem Wärmetauscher 2 gegeben,
und in dem Wärmetauscher
findet ein Wärmeaustausch
mit der Umgebungsatmosphäre
unter nur kleinen Druckverlusten statt, wodurch die Luft gekühlt wird.
Die gekühlte
verdichtete Luft wird durch die Leitung 5 zu dem Entspanner 3 geliefert.
In dem Entspanner 3 wird der Druck der Luft reduziert,
wodurch die Temperatur drastisch auf eine Temperatur fällt, die
un terhalb der Temperatur der Versorgungsluft des Verdichters liegt.
Der Druck der den Entspanner 3 verlassenden Luft liegt
höher als
der Druck der Umgebungsatmosphäre,
z. B. bei einem Druck von 0,11 bis 0,15 MPA.
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Wenn
die durch den Temperatursensor 11 erfaßte Temperatur niedriger ist
als eine vorbestimmte niedrigste Temperatur, sendet der Prozessor 7 ein Signal
zu der Steuervorrichtung 8, die durch Öffnen des Ventils 9 antwortet.
Luft ist dann in der Lage, durch die Zweigleitung 16 zu
der Einlaßleitung 15 zurückzuströmen. Der
Druck stromabwärts
des Verdichters fällt,
wenn die Luft beginnt, durch das Ventil 9 zu strömen. Dies
bedeutet, daß weniger
Leistung erforderlich ist, um den Verdichter 14 anzutreiben.
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Die
Temperatur der durch die Zweigleitung 16 strömenden Luft
ist viel höher
als die Temperatur der dem Verdichter 14 zugeführten Umgebungsluft. Folglich
besitzt die in den Verdichter 14 eintretende Luft eine
höhere
Temperatur als die Umgebungsatmosphäre und die Ausgangstemperatur
wird ebenfalls höher
sein. Zur gleichen Zeit nimmt das Volumen der an den Wärmetauscher
und den Schraubenentspanner 3 abgegebenen Luft ab, ebenso
wie der Druck stromaufwärts
des Entspanners 3. Das Nettoergebnis besteht darin, daß die Luft
von dem Entspanner 3 eine höhere Temperatur erhält, was
in Anpassung an den Durchflußquerschnitt
des Regelventils erfolgt.
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Die
in 4 dargestellte Ausführungsform ist ähnlich der
Ausführungsform
gemäß 3,
unterscheidet sich von dieser jedoch dadurch, daß die Zweigleitung 16 aus 3 durch
eine Zweigleitung 17 ersetzt worden ist. Statt die erste
Leitung 4 mit der Einlaßleitung 15 zu verbinden,
verbindet die Zweig leitung 17 aus 4 eine geschlossene
Arbeitskammer in dem Verdichter 14 mit der Einlaßleitung 15.
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In
einem Schraubenverdichter besitzt eine Arbeitskammer ihr größtes Volumen,
wenn sie sich gegenüber
den Einlaßmitteln
verschließt.
Da sich die Rotation fortsetzt, nimmt das Volumen der geschlossenen
Arbeitskammer ab, bis das andere Ende der Arbeitskammer eine Fluidverbindung
mit den Auslaßmitteln
des Verdichters herstellt. Die Zweigleitung 17 ist derart
in dem Verdichter 14 angeordnet, daß eine Arbeitskammer in Kontakt
mit der Mündung
der Zweigleitung gelangt, bevor die Fluidverbindung mit den Auslaßmitteln
hergestellt wird und nachdem eine Fluidverbindung mit den Einlaßmitteln
hergestellt worden ist.
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Die
Vorrichtung gemäß 4 arbeitet
in einer der Vorrichtung gemäß der Ausführungsform
aus 3 entsprechenden Weise.