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Schraubenverdichter bzw. -motor Schraubenkompressoren unterscheiden
sich von Schraubenpumpen für nicht komprimierbare Fluida dadurch, daß bei Schraubenkompressoren
das im Gewinderaum zwischen den miteinander zusammenwirkenden Rotoren und dem Gehäuse
eingeschlossene Volumen auf geeigneten Druck komprimiert wird, bevor es mit dem
Auslaß in Verbindung gesetzt wird. Üblicherweise wird auf der Druckseite das Gewindevolumen
durch eine Wand abgeschlossen, die nach den Schraubenenden hin abdichtet, wobei
das eingeschlossene Gewindevolumen komprimiert wird. Auf der Saugseite kann bei
einem Schraubenkompressor der Einlaß frei sein, indem die Gewindegänge unabhängig
von der Schraubenlänge in einer gewissen Winkellage ein Gewindevolumen gegen die
Saugseite abschließen, wonach dieses Volumen während der fortdauernden Rotation
der Schrauben komprimiert wird, bis eine Auslaßöffnung freigelegt und das komprimierte
Volumen ausgetrieben wird.
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Diese bekannte Anordnung besitzt gewisse Nachteile, in erster Linie
infolge der Schwierigkeit, die Auslaßöffnung für das komprimierte Medium in geeigneter
`''eise anzuordnen. In gewissen Fällen ist sie in die Endwand selbst verlegt worden,
wobei der Abschluß und die Freigabe dadurch erfolgt, daß die Schraubenenden mit
einem gewissen erforderlichen Spielraum in gewissen Drehlagen der, Schrauben die
Auslaßöffnung abdecken und sie in anderen Lagen freigeben. In anderen Fällen ist
der Auslaß radial, d. h. in die zylindrischen Teile des Gehäuses verlegt worden,
wobei die Gewindespitzen für die Absperrung des Gewindevolumens von der jeweiligen
Verbindung mit dem Auslaß benutzt werden. Man kann auch diese Anordnungen miteinander
kombinieren.
Keines dieser Verfahren ist indessen befriedigend.
Der nur radiale Auslaß ist unzweckmäßig, da ein gewisser Teil des Schraubenvolumens
zwischen den Seiten der Schraubenenden und der Wand verbleibt, nachdem ein Teil
des Gewindevolumens ausgetrieben und der radiale Auslaß durch die fortdauernde Rotation
der Schraubenenden abgeschlossen ist. Für dieses verbleibende Volumen muß somit
ein Auslaß geschaffen werden, und zwar entweder dadurch, daß ein weiterer Auslaß
in der Wand angebracht wird, oder dadurch, daß Durchtritte in den Schrauben selbst
angeordnet werden, was Verluste zur Folge hat.
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Ein Auslaß durch die Endwand ergibt kein besseres Resultat. Dieser
Auslaß muß an einer solchen Stelle angebracht werden, daß man nicht vermeiden kann,
daß bei fortdauernder Rotation der Schrauben Gewindegänge mit niedrigerer Kompression,
bei kurzen Schrauben sogar die Einlaßseite des Kompressors mit der Druckseite in
direkte Verbindung kommen, wodurch große Verluste, störende Geräusche und Vibrationen
entstehen.
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Gemäß der Erfindung, die sich auf solche Schraubenkompressoren bezieht,
bei denen miteinander zusammenwirkende Schrauben von einem Gehäuse umschlossen sind,
das am Hochdruckende mit einer mit einem Auslaßkanal versehenen Endwand ausgerüstet
ist, gegen die die entsprechenden Schraubenenden abdichten, werden diese Nachteile
dadurch vermieden, daß die eine von zwei miteinander zusammenwirkenden Schrauben
an dem gegen die Endwand abdichtenden Ende mit einem die Gewindegänge abschließenden
Ventilorgan versehen wird, das für jeden Gewindegang mit mindestens einer Ventilöffnung
ausgerüstet ist, die in der Nähe der einen Gewindeseite so angebracht ist, daß die
Ventilöffnungen während eines gewissen Teils jeder Umdrehung sich nach dem in der
Endwand angeordneten Auslaßkanal öffnen. Das mit Ventilöffnungen versehene Organ
kann entweder an der mit konkaven Gewindeseiten versehenen Schraube angebracht werden,
wobei die Ventilöffnungen in der Nähe der in der Rotationsrichtung gerechnet hinteren
Gewindeseiten (vorderer Teil des Gewindeganges) angeordnet werden, oder an der mit
konvexen Gewindeseiten versehenen Schraube; wobei die Öffnungen in der Nähe der
in der Rotationsrichtung gerechnet vorderen Gewindeseiten (hinterer Teil des Gewindeganges)
angeordnet werden.
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Zweck der beschriebenen Anordnung ist, in gewissen Gewindelagen dem
komprimierten Volumen zu gestatten, möglichst unbehindert durch den Auslaß abzuströmen,
jedoch in anderen Gewindelagen zu verhindern, daß das unter Kompression stehende
Gas den Gewinderaum während des Kompressionsvorganges v erläßt.
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Die Erfindung hilft auch einer anderen Schwierigkeit ab. Bei allen
Schraubenkompressoren erfolgt die Kompression jedes Gewindevolumens für sich, wobei
jedes Gewindevolumen aus mindestens zwei Teilen besteht, nämlich einem Gewindegang
in der einen der beiden miteinander zusammenwirkenden Schrauben und einem Gewindegang
in der anderen Schraube, und wobei diese beiden Gewindegänge miteinander durch einen
verhältnismäßig engen Durchtritt an der Stelle verbunden sind, wo die Schrauben
miteinander im Eingriff stehen. Es ist offenbar nicht erwünscht, daß in gewissen
Lagen der Auslaß von den beiden Teilen der miteinander verbundenen Gewindegänge
nur von dem einen Gang aus erfolgt, da in diesem Fall ein effektforderndes Überströmen
durch den engen Durchtritt zwischen den beiden Teilen stattfinden muß.
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Erfindungsgemäß wird daher der Auslaßkanal außerhalb des Ventilorgans
so ausgeformt, daß er sich auch nach den Gewindegängen in der nicht mit einem Ventilorgan
versehenen Schraube öffnet. Der an sich bekannte Schraubenkompressor mit einer zentralen
Schraube, die zweckmäßig mit konvexen Gewindeseiten versehen ist, welche mit zwei
Seitenschrauben zusammenarbeiten, die in diesem Fall mit konkaven Gewindeseiten
ausgeführt werden, ist besonders deswegen vorteilhaft, weil jeder Gewindegang bei
jeder Umdrehung den Kompressionsvorgang zweimal durchläuft, so daß die Kapazität
des Kompressors verdoppelt wird. Weder diese Anordnung und noch weniger eine solche,
bei der eine Zentralschraube mit drei oder mehr Seitenschrauben zusammenarbeitet,
hat indessen praktische Anwendung gefunden, und zwar deswegen, weil der für den
Auslaß zur Verfügung stehende Raum zu klein wird. Durch die besondere Anordnung
des Auslasses gemäß vorliegender Erfindung wird diese Schwierigkeit beseitigt, auch
wenn es sich um mit hohen Drehzahlen arbeitende Kompressoren handelt. Ein weiterer
hierdurch erreichter Vorteil besteht darin, daß es möglich wird, eine ungerade Gewindezahl,
zweckmäßig fünf, für die zentrale Schraube zu benutzen, wenn zwei Seitenschrauben
zur Anwendung kommen, wodurch die Kompressionen abwechselnd erfolgen. Wendet man
fünf Gewinde an, so erhält man zehn Kompressionen während jeder Umdrehung, mit dem
Resultat, daß eine gleichmäßigere Ausströmung erreicht wird.
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Erfindungsgemäß kann man auch durch Vergrößerung der Schraubensteigung
für eine gewisse Gewindelänge einen größeren Effekt für ein gewisses Schraubenvolumen
dadurch erzielen, daß man an der Niederdruckseite eine entsprechende Ventilanordnung
anbringt, wie sie oben für die Hochdruckseite beschrieben ist. Eine derartige Effekterhöhung
ist bei bekannten Schraubenkompressoren dadurch erzielt worden, daß man eine dichtende
Wand auch an der Niederdruckseite längs eines Teils der Endfläche der Schrauben
anordnete, wodurch es möglich wurde, die Gangsteigung zu erhöhen. Eine derartige
Wand bringt jedoch den Nachteil mit sich, daß ein gewisses Gewindevolumen in entsprechender
Weise abgesperrt wird, wie oben für das entgegengesetzte Schraubenende beschrieben
wurde, aber während am Druckende dieses Volumen während der Rotation der Schrauben
sich vermindert, wird der Verlauf am Einlaßende der entgegengesetzte. Das Vakuum,
das hierdurch entsteht, und das darauffolgende plötzliche Einströmen, wenn das Volumen
vom Einlaß ausgefüllt wird, ist indessen wenig wünschenswert.
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Erfindungsgemäß wird daher in diesem Fall auch an der Einlaßseite
ein Ventilorgan an einer der beiden Schrauben angebracht. Man kann auch hier neben
dem
Ventilorgan eine Wand anbringen, die mit Einlaßnuten versehen ist, und hat dann
die Möglichkeit, das Ventilorgan an der Schraube anzubringen, an der man es wünscht,
und zwar in voller Übereinstimmung mit der Anordnung auf der Druckseite und symmetrisch
zu dieser.
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Einfacher ist es indessen, die Endwand fortzulassen und dem Medium
die freie Füllung sämtlicher Schraubengänge mit Ausnahme des Ganges bzw. der Gänge
zu gestatten, die vom Ventilorgan abgesperrt sind.
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Erfindungsgemäß wird dabei das Ventilorgan, wenn es an der mit konvexen
Gewindeseiten versehenen Schraube angebracht wird, mit mindestens einer Öffnung
für jeden Gewindegang ausgerüstet, wobei die Öffnungen in der Nähe der in der Rotationsrichtung
gerechnet vorderen Gewindeseiten, d. h. im hinteren Teil des Gewindeganges, anzubringen
sind.
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Im folgenden ist die Erfindung in ihrer Anwendung als Kompressor näher
beschrieben. Sie kann indessen, wie ohne weiteres klar sein dürfte, auch bei Schraubenmotoren
Benutzung finden, die von einem expandierenden Medium mit einem gewissen Einlaßdruck
getrieben werden, wobei die Strömungsrichtung des Mediums und die Rotationsrichtung
der Anordnung denen bei Schraubenkompressoren entgegengesetzt sind.
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Eine Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. i bis 5 veranschaulicht,
wobei Fig. i einen Längsschnitt, Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie A-A der Fig.
i unter Fortlassung der Schrauben, Fig.3 und 4 in etwas größerem Maßstab die Schraubengänge
an der Auslaßseite in zwei verschiedenen Lagen und Fig.5 ebenfalls in etwas größerem
Maßstab eine Endansicht der Schrauben im Schnitt nach der Linie B-B der Fig. i zeigen;
Fig. f> veranschaulicht eine zweite Ausführungsform in gleichem Maßstab wie die
vorhergehenden Figuren. In Fig. i ist mit r eine Schraube i bezeichnet, die mit
fünf Linksgewinden und einem Antriebsachszapfen 2 versehen ist. Mit 3 und 4 sind
zwei Schrauben mit je vier Rechtsgewinden bezeichnet, die mit der Schraube i im
Eingriff stehen. Ein Gehäuse 5 ist mit zylindrischen Bohrungen versehen, die dem
Schraubenumfang mit erforderlichem Spielraum angepaßt sind. An dem Gehäuse 5 sind
zwei Endwände 6, 7 mittels Schrauben i9 befestigt. Mit 8, 9, io und ii sind Kugellager
bezeichnet, die die Schrauben i, 3 und 4 mittels Endzapfen tragen. An dem einen
Ende der Schrauben sind Zahnräder 12, 13 auf den Endzapfen mittels Muttern 14, 15
befestigt. Die Endwände 6 und 7 sind an der Außenseite durch Schutzdeckel 16, 17
abgedeckt, und auf dem Deckel 16 ist eine dem Antriebsachszapfen 2 angepaßte Dichtung
18 angebracht.
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Die Lager 8 und 9 werden in der Längsrichtung durch Sicherungsringe
20 und die Endzapfen der Schrauben mittels Muttern 21, 22 an diesen Lagern festgehalten,
wodurch sich die Schrauben in ihrer Längsrichtung nicht verschieben können.
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An dem einen Ende des mit Gewinde versehenen Teils der Schrauben 3
und 4 sind zwei scheibenförmig ausgebildete Ventilorgane 23, 24 befestigt. Die Schrauben
3, 4 werden in einer solchen Lage gehalten, daß ein unbedeutender Spielraum zwischen
der Endwand 6 und den Ventilscheiben gebildet wird. jede Ventilscheibe ist mit vier
Löchern 25 versehen, wie sich aus Fig. 3 und 4 ergibt. In der Endwand 6 befinden
sich zwei Nuten 26, die in Fig. 2 bis 4 dargestellt sind. Von diesen Nuten gehen
zwei Auslaßkanäle 27 aus, die mit Gewinde versehene Anschlüsse aufweisen und in
Fig. 2 gestrichelt dargestellt sind.
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Am entgegengesetzten Ende des mit Gewinde versehenen Schraubenteils
ist ein als Scheibe 28 ausgebildetes Ventilorgan an der Schraube i so befestigt,
daß sich deren innere Fläche bei der Rotation der Schrauben mit unbedeutendem Spielraum
der Endfläche der Gewindegänge der Schrauben 3 und 4 anpaßt. In der Ventilscheibe
28 finden sich fünf Öffnungen 29, die in Fig. 5 gezeigt sind. Die Ventilscheibe
28 dichtet nicht gegen die Endwand 7 ab, vielmehr verbleibt ein freier Raum 30,
der durch eine Reihe Bohrungen 31 mit der Außenluft in Verbindung steht.
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Die Anordnung wirkt auf folgende Weise: Wird der Antriebsachszapfen
2 von einer äußeren Kraftquelle in der Pfeilrichtung in Drehung versetzt, rotieren
die Schrauben 3 und 4 unter Vermittlung der Zahnräder 12 und 13 in entgegengesetzter
Richtung.
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Die mittlere Schraube i ist mit fünf epizykloidförmigen Gewinden konvexer
Form versehen, während die Seitenschrauben 3 und 4 je vier epizykloidförmige Gewinde
konkaver Form aufweisen. Die Zahnräder 12 und 13 haben ein Übersetzungsverhältnis
5 : 4; sie besitzen zweckmäßig spiralförmige Zähne und weisen den gleichen Steigungswinkel
wie die Gewindegänge in der Nähe des Bodens der Antriebsschraube auf. Die Gewinde
sind so ausgeführt, daß sie bei der Rotation mit unbedeutendem Spielraum zusammenarbeiten,
wobei die Zahnräder so eingestellt sein sollen, daß Reibung an den Gewindegängen
vermieden wird.
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Bei der Rotation der Schrauben wird Luft oder ein anderes Gas durch
die Öffnungen 31 von außen in den Raum 30 eingesaugt. Man kann zweckmäßig
auch seitlich Einlässe an den Gewindegängen in gewissen Lagen vorsehen. Die nach
dem Raum 3o zu offenen Räume zwischen den Gewindegängen werden dabei ausgefüllt,
und bei der Rotation der Schrauben erfolgt ein Abschluß dieser Zwischenräume der
Reihe nach durch die Ventilscheibe 28. Ein derartiger Zwischenraum, der aus einem
Gewindegang in der Antriebsschraube und einem mit diesem kommunizierenden Gewindegang
in einer der beiden Seitenschrauben besteht, wird bei fortdauernder Rotation zwischen
den Gewindegängen, dem Gehäuse 5, der Endwand 6 und den Ventilscheiben 23, 24 eingeschlossen.
Bei der Rotation der Schrauben wird dieses eingeschlossene Gewindevolumen komprimiert,
bis die Öffnungen 25 in einer gewissen Lage das Gewindevolumen mit den Nuten 26
und den Auslässen 27 verbinden, wonach das komprimierte Gas ausgetrieben wird.
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Der Arbeitsverlauf ergibt sich im einzelnen aus Fig. 3 bis 5.
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Fig. 3 zeigt die Lage der Gewindegänge an der Auslaßseite unmittelbar
nach dem Abschluß des Gewindevolumens von der Einlaßseite. Ein in Fig. 3 mit 33
bezeichneter
Gewindegang ist am Einlaßende des Kompressors mit
einem Gewindegang 34 der Seitenschraube 3 verbunden.
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Fig. 5 zeigt das andere Ende der Schrauben in der gleichen Schraubenlage
wie in Fig. 3. Die beiden Gewindegänge 33 und 34 sind in dieser Lage durch die mit
35 in Fig. 5 bezeichnete Öffnung zwischen den Gewindegängen verbunden. Die Ventilscheibe
28 der Antriebsschraube i schließt diese Öffnung gegen die Einlaßseite ab, wodurch
der Gang geschlossen ist.
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Bei der fortdauernden Rotation der Gewinde nehmen die beiden Gewindegänge
33 und 34 die Lagen 36 und 37 ein, wobei das Volumen vermindert wird und die Kompression
erfolgt. Bei weiterer Rotation nehmen sie die Lage 39 in Fig. 3 ein.
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Hat die Kompression den in Fig. 4 durch die Lagen 40 und 41 gekennzeichneten
Punkt erreicht, treten die Gänge mit dem Auslaß in Verbindung, d. h. die Kompression
ist beendet, und es beginnt die Ausstoßung. Der Gang 41 tritt dabei durch die Öffnung
25 in der Ventilscheibe 24 mit dem einen Nutenzweig 26 in Verbindung. Gleichzeitig
entsteht eine direkte Verbindung zwischen dem Gang 40 der Schraube i und dem anderen
Zweig der Nut 26. Diese in bestimmter Weise ausgebildete Nut öffnet sich mit ihrem
einen Zweig nach der Ventilscheibe 24 und mit ihrem anderen Zweig direkt nach dem
Ende der Antriebsschraube. Der Zweck ist, daß sich die Gewindegänge der Seitenschraube
und der mittleren Schraube gleichzeitig nach dem Auslaß öffnen, damit das komprimierte
Gas nicht von dem einen Teil des Gewindeganges nach dem anderen Teil durch den engen
Durchtritt zwischen den Schrauben überzuströmen braucht. Während der fortdauernden
Rotation der Schrauben steht das eingeschlossene Gewindevolumen gleichzeitig mit
den beiden Nutenzweigen 26 bis kurz vor der in Fig.4 unten gezeigten Lage in Verbindung.
Außerdem besteht weiterhin eine Verbindung zwischen dem mit 42 bezeichneten eingeschlossenen
Gangvolumen und der Öffnung 25, wenn diese die Nut 26 verläßt. Das stets mit der
Öffnung 25 in Verbindung stehende Gewindevolumen 42 ist, wenn die Öffnung 25 die
NlIt 26 verläßt, so klein, daß es außer Betracht gelassen werden kann.
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Die Ventilscheiben 23 und 24 sind erforderlich, um ein direktes Durchströmen
von der Auslaßnut 26 nach der Einlaßseite zu vermeiden. Dies ist in Fig. 4 unten
gezeigt. Die halbmondförmige Öffnung 43 zwischen zwei Gangseiten markiert nämlich
den Anfang eines Gangzwischenraums, der sich nach der Einlaßseite zu erweitert.
Würde keine Ventilscheibe vorhanden sein, so würde diese Öffnung mit der Auslaßnut
26 in direkter Verbindung stehen und ein kurzes, aber heftiges Zurückströmen des
komprimierten Gases die Folge sein.
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Auf der Saugseite dient die Ventilscheibe 28 dem gleichen Zweck. Sie
ist jedoch nicht notwendig, wenn man den Schrauben eine so große Länge gibt, daß
die Einlaßseite durch die Gänge selbst verschlossen ist, wenn die Gewindegänge sich
in der auf der Druckseite mit 33 und 34 bezeichneten Lage befinden. Die in Fig.
5 gezeigte freie Öffnung 35 verschwindet nämlich, wenn die Schrauben hinreichend
verlängert werden. Da indessen das eingesaugte Volumen durch die Verlängerung der
Schrauben nur äußerst wenig vergrößert wird, erzielt man einen größeren Gewinn für
ein gewisses Gewindevolumen durch Verkürzung der Schrauben und ein Verschließen
der Einlaßseite.
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Um dieses Ziel zu erreichen, war es bisher üblich, die Endwand 7 so
anzuordnen, daß das Einlaßende an dieser Stelle abgedeckt wird. Die abzudeckende
Fläche ist indessen gerade der linsenförmige Teil der Endfläche, der dem Eingriff
der Gewindegänge ineinander entspricht. Nun wird jedoch an dieser Stelle ein eingeschlossenes
Volumen zwischen den Gewindegängen und dieser dichtenden Seitenwand gebildet, das
während der Rotation der Schrauben von einem unbedeutenden Wert auf das in Fig.
5 mit 44 bezeichnete Volumen anwächst. Hier muß ein Vakuum entstehen, das plötzlich
ausgefüllt wird, wenn dieses Volumen seinen maximalen Wert erreicht hat und, wie
in Fig. 5 gezeigt ist, sich nach der Einlaßseite öffnet. Die einzige Möglichkeit,
dies zu verhindern, besteht in der Anordnung eines Einlasses, der dem Gas gestattet,
dieses Volumen kontinuierlich auszufüllen und ein Vakuum zu vermeiden sowie in der
gleichzeitigen Sicherstellung, daß der Gewindegang auf der anderen Seite des Gewindes
der konvexen Schraube von der Einlaßseite abgeschlossen wird. Wie aus Fig. 5 hervorgeht,
öffnen die Öffnungen 29 den Zulaß zu dem Volumen 44, wo sonst ein Vakuum entstehen
würde, in voll ausreichender Weise, während die Öffnung 35 von der Einlaßseite gleichzeitig
abgeschlossen ist. Der Verlauf ist somit dem an der Auslaßseite, der oben beschrieben
ist, analog, wo die Öffnungen 25 dem komprimierten Gas gestatten, aus dem Gewindevolumen
45 abzuziehen (Fig. 3), aber den Gangzwischenraum 46 abschließen.
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Es ist möglich, auch auf der Auslaßseite nur eine Ventilscheibe an
der mit konvexen Gängen versehenen Schraube vorzusehen, wie in Fig. 6 gezeigt ist.
Diese Schraube muß dann mit Auslaßöffnungen 47 in der Nähe der Vorderseite des konvexen
Gewindes versehen werden. Wie man sehen kann, wird jedoch die Auslaßöffnung 47 klein
und erhält eine nicht vorteilhafte Form, weswegen es vorzuziehen ist, statt dessen
Ventilorgane an den mit konkaven Gewindeseiten versehenen Schrauben anzuordnen.
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Die beschriebene Ausführungsform zeigt eine zentrale Schraube mit
konvexen Gewindeseiten, die mit zwei Schrauben mit konkaven Gewindeseiten zusammenarbeitet.
Die Anordnung wird die gleiche, wenn man die bekannte Kombination einer Schraube
des einen Typs mit nur einer Schraube des anderen Typs wählt oder wenn man eine
zentrale Schraube einer der beiden Typen anwendet, die mit mehr als zwei Seitenschrauben
zusammenarbeitet. Die hier beschriebene Ausführungsform hat jedoch besondere Vorteile,
die bereits oben erwähnt sind. :Mehr als zwei Seitenschrauben zu wählen, ist nur
bei äußerst geringer Kompression praktisch, da der Drehwinkel der Schrauben während
eines Kompressionsverlaufs in diesem Fall zu klein wird, um eine nennenswerte Kompression
sowie eine ausreichende Auslaßzeit zu gestatten.
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Dazu kommt, daß es von wesentlicher Bedeutung ist, eine ungerade Zahl
Gewindegänge an der zentralen Schraube zu wählen, da die Auspuffe durch die beiden
Auslässe dann abwechseln und die Ausströmung gleichmäßiger
wird.
Es ist weiter wichtig, keine größere Zahl Gewindegänge als notwendig zu wählen,
da die Gangtiefe sonst begrenzt wird.
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Durch die Anwendung von Ventilorganen am Auslaß und durch die besondere
Form der Auslaßöffnung wird die Ausströmgeschwindigkeit gering, auch wenn nur die
geringe Zahl von fünf Gängen an der Zentralschraube vorhanden ist, was von wesentlicher
Bedeutung ist.
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Im vorhergehenden ist die Anordnung unter der Voraussetzung beschrieben,
daß sie als Kompressor arbeitet. Sowohl die Einzelheiten wie der Arbeitsverlauf
der Anordnung bleiben bei Anwendung als Motor gleich, der von einem komprimierbaren
Medium unter Druck angetrieben wird.