EP3447289A1 - Verfahren zum betreiben eines verdichters und verdichter - Google Patents

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EP3447289A1
EP3447289A1 EP17020403.6A EP17020403A EP3447289A1 EP 3447289 A1 EP3447289 A1 EP 3447289A1 EP 17020403 A EP17020403 A EP 17020403A EP 3447289 A1 EP3447289 A1 EP 3447289A1
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voltage
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counter
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    • F04C2210/40—Properties

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a compressor, in which an ionic liquid is used as the operating fluid, and such a compressor.
  • Compressors are used in particular for compressing gaseous media.
  • the medium can be displaced for this purpose, for example by means of a working fluid in a displacement cylinder.
  • Such compressors are referred to in this context as a piston-free compressor.
  • an ionic liquid can be used as the operating liquid. This is then present in particular in an actual hydraulic oil circuit and a gas cycle. Ionic liquids have the advantage that they have no or at least no measurable vapor pressure. Therefore, can be compressed in the manner described gas without the components of the operating fluid then remain in the compressed gas, as is the case with conventional operating fluids such as hydraulic oil.
  • ionic liquids are liquid salts, which therefore form an electrolyte within the compressor or the compressor system. Since in such a compressor usually different materials for different components or components of the compressor are used, with which the ionic liquid is also in contact, it comes to the formation of an electrochemical element. Here, in relation to the electrochemical voltage series, less noble material or element in the ionic liquid dissolves and is degraded or consumed. Elsewhere, this material will be deposited accordingly. Overall, this leads to a reduced service life or running time of the compressor.
  • the task is to provide a way to extend life or run time in such an ionic compressor.
  • the present invention is based on a method for operating a compressor, in which an ionic liquid is used as the operating fluid.
  • an ionic liquid is used as the operating fluid.
  • composition may have a counterion, in particular Cl - .
  • a countervoltage is applied to the compressor at least for partial compensation of a voltage of the electrochemical element. It is particularly expedient to balance the stress as completely as possible, but at least for example to 80%, in particular 90%.
  • the voltage of the electrochemical element is measured and based on which the countervoltage is adjusted.
  • a suitable measuring device can be provided which picks up the applied voltage at suitable points of the various materials, for example. This then allows a particularly accurate setting or specification of the counter-voltage and thus as far as possible compensation of the voltage caused by the electrochemical element. This ultimately leads to the lowest possible wear of the materials of the compressor and thus the compressor as a whole.
  • counter tension is set within the scope of a control. In this way, any deviations during operation of the compressor can be compensated.
  • a piston compressor and / or a multi-stage compressor is used as the compressor, in particular thus, for example, a multi-stage reciprocating compressor.
  • Such compressors are relatively simple in construction, but still benefit from the advantages of the ionic liquid as the operating fluid.
  • screw compressors, scroll compressors, rotary compressors, or compressors in which two-phase mixtures are applicable come into consideration.
  • a gas in particular hydrogen, or a gas mixture is compressed.
  • the advantage of using the ionic liquid is that no residues of this liquid remain in compressed gas and thus a particularly pure, compressed gas can be obtained. This is of particular interest in the case of hydrogen, since hydrogen is used, for example, for drives, in particular with fuel cells.
  • the invention furthermore relates to a compressor in which an ionic liquid is provided as operating fluid, and in which two different materials of the compressor are in contact with the ionic fluid and form an electrochemical element.
  • a compressor in which an ionic liquid is provided as operating fluid, and in which two different materials of the compressor are in contact with the ionic fluid and form an electrochemical element.
  • ionic compressor in particular a so-called ionic compressor.
  • a voltage source is now provided, with a Counter voltage least for partial compensation of a voltage of the electrochemical element to the compressor can be applied.
  • a measuring device is also provided for measuring the voltage of the electrochemical element, wherein the voltage source is adapted to set the counter voltage based on the measured voltage.
  • control and / or regulating unit is provided for adjusting and / or regulating the countervoltage. It is also advantageous if the compressor is designed as a piston compressor and / or multi-stage.
  • FIG. 1 an inventive compressor 100 is shown in a preferred embodiment.
  • the compressor here has five cylinders 110, 111, 112, 113 and 114 and a further chamber 150.
  • the cylinder 110 has a movable piston 120 and an inlet valve 140 and an outlet valve 141, wherein these two valves are each arranged in a cylinder head 130 are.
  • the other four cylinders are similar, but for the sake of clarity, no reference numerals are shown here. It should also be noted that the further cylinders 111 to 114 are smaller than the cylinder 110 in order to allow a corresponding step-like compression.
  • the respective pistons can be moved, for example, via a suitable (not shown here) drive according to the prior art.
  • a gas b for example hydrogen
  • a conduit 120 or other suitable connection
  • compressed gas in the cylinder 110 can then be passed into the next cylinder 111.
  • the increasingly compressed gas can finally be led out of the compressor 100 and from there via an outlet 122 again.
  • a closable connection line 123 is provided from the inlet 121 to the chamber 150.
  • the chamber 150 serves to separate the ionic liquid from the gas stream, the connecting line 123 allows due to the pressure difference between the first and last compressor stage a liquid flow, as a result, a targeted injection of ionic liquid in the gas stream is possible.
  • an ionic liquid a is now provided as the operating liquid.
  • this ionic liquid In addition to an effect as cooling and / or lubrication of the compressor, it is a property of this ionic liquid that lead in the compression of the gas b no residues in the gas. This is - as already mentioned - because an ionic liquid has no or at least no measurable vapor pressure.
  • a measuring device 160 is now provided, by means of which, for example, a voltage U between the piston 120 and the cylinder 110 or its wall is measured here. If now the piston 120 and the cylinder 110 or its wall are made of different materials, then these two materials form an electrochemical cell with a - here by means of the measuring device 160 - measurable voltage U.
  • a voltage source 170 which in particular can also be part of a control and / or regulating unit, is provided.
  • this voltage source 170 it is now possible to apply a countervoltage U G to the compressor, here between the piston 120 and the cylinder 110 or its wall, so that a current I G flows.
  • the countervoltage can now be tuned as accurately as possible to the measured voltage, so that there is no or at least a significantly lower voltage between the corresponding components or components of the compressor, thus preventing or at least reducing a solution of the one material in the ionic liquid. This correspondingly increases the life of the compressor 110.

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Abstract

Verfahren zum Betreiben eines Verdichters (100), bei dem eine ionische Flüssigkeit (a) als Betriebsflüssigkeit verwendet wird, und bei dem zwei verschiedene Materialien (c, d) des Verdichters (100) mit der ionischen Flüssigkeit (a) in Kontakt gebracht werden und ein elektrochemisches Element bilden, wobei eine Gegenspannung (U G ) wenigstens zum teilweisen Ausgleich einer Spannung (U) des elektrochemischen Elements an dem Verdichter (110) angelegt wird. Ein solcher Verdichter (100) ist ebenfalls offenbart.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Verdichters, bei dem eine ionische Flüssigkeit als Betriebsflüssigkeit verwendet wird, sowie einen solchen Verdichter.
    • Stand der Technik
  • Verdichter werden insbesondere zum Verdichten von gasförmigen Medien eingesetzt. Das Medium kann hierzu beispielsweise mittels einer Betriebsflüssigkeit in einem Verdrängerzylinder verdrängt werden. Solche Verdichter werden in diesem Zusammenhang auch als kolbenlose Verdichter bezeichnet.
  • Als Betriebsflüssigkeit kann eine ionische Flüssigkeit verwendet werden. Diese ist dann insbesondere in einem eigentlichen Hydraulikölkreis sowie einem Gaskreislauf vorhanden. Ionische Flüssigkeiten haben den Vorteil, dass sie keinen oder zumindest keinen messbaren Dampfdruck aufweisen. Daher kann auf die beschriebene Weise Gas verdichtet werden, ohne dass in dem verdichteten Gas anschließend Bestandteile der Betriebsflüssigkeit verbleiben, wie dies bei herkömmlichen Betriebsflüssigkeiten wie Hydrauliköl der Fall ist.
  • Bei ionischen Flüssigkeiten handelt es sich insbesondere um flüssiges Salz, welches daher einen Elektrolyt innerhalb des Verdichters bzw. des Verdichtersystems bildet. Da in einem solchen Verdichter in aller Regel verschiedene Materialien für verschiedene Komponenten bzw. Bauteile des Verdichters verwendet werden, mit denen die ionische Flüssigkeit auch in Kontakt steht, kommt es zur Bildung eines elektrochemischen Elements. Hier geht das in Bezug auf die elektrochemische Spannungsreihe unedlere Material bzw. Element in der ionischen Flüssigkeit in Lösung und wird abgebaut bzw. verbraucht. An anderer Stelle wird dieses Material entsprechend angelagert. Insgesamt führt dies zu einer reduzierten Lebensdauer bzw. Laufzeit des Verdichters.
  • Vor diesem Hintergrund stellt sich die Aufgabe, eine Möglichkeit bereitzustellen, bei einem solchen ionischen Verdichter Lebensdauer bzw. Laufzeit zu verlängern.
    • Offenbarung der Erfindung
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betreiben eines Verdichters sowie einen Verdichter mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
    • Vorteile der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Betreiben eines Verdichters, bei dem eine ionische Flüssigkeit als Betriebsflüssigkeit verwendet wird. Wenn ein solcher Verdichter zwei verschiedene Materialien aufweist, die mit der ionischen Flüssigkeit in Kontakt gebracht werden, wird automatisch ein elektrochemisches Element gebildet.
  • Als ionische Flüssigkeit kommen dabei vorzugsweise Zusammensetzung in Betracht, die einen der folgenden Stoffe aufweisen:
    • eine Verbindung gemäß Formel (I)
      Figure imgb0001
       wobei R1 und R2 unabhängig voneinander Wasserstoff oder ein substituiertes oder unsubstituiertes C1-C8 Alkyl sein können, insbesondere ein substituiertes oder unsubstituiertes C1-C4 Alkyl, wobei die Verbindung nach Formel (I) insbesondere ein 1-Ethyl-3-Methylimidazolium ist.
    • eine quartäre Ammoniumverbindung, insbesondere eine Verbindung der Formel

               N+R4     (II),

      wobei jedes R unabhängig voneinander ein substituiertes oder unsubstituiertes C1-C4 Alkyl sein kann, wobei das Alkyl insbesondere durch OH substituiert sein kann, wobei die Verbindung nach Formel (II) insbesondere ein N,N,N-Trimethylethylammonium oder ein Tris(2-hydroxyethyl)-Methylammonium ist.
  • Ebenso kann die Zusammensetzung ein Gegenion, insbesondere Cl- aufweisen.
  • Als relevante Komponenten oder Bauteile des Verdichters, die hier betroffen sein können, kommen insbesondere Zylinderköpfe, Rohrleitungen, Kolben, Ventilgehäuse und Ventile in Frage. Als Materialien kommen beispielsweise Eisen (bzw. Stahl), Aluminium und Zink in Frage.
  • Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass eine Gegenspannung wenigstens zum teilweisen Ausgleich einer Spannung des elektrochemischen Elements an dem Verdichter angelegt wird. Besonders zweckmäßig ist es, die Spannung möglichst vollständig, wenigstens aber beispielsweise zu 80%, insbesondere 90%, auszugleichen.
  • Durch das Anlegen einer solchen Gegenspannung wird also von extern Strom (also Fremdstrom) in den Verdichter eingeleitet und so der Auflösung des entsprechend unedleren Materials bzw. Elements entgegengewirkt oder diese sogar gestoppt. Es versteht sich, dass eine solche Gegenspannung nicht nur einmal zwischen zwei Materialien angelegt werden kann, sondern im Falle weiterer verschiedener Materialien auch zwischen weiteren Paaren von Materialien. Die Gegenspannung kann dabei durch eine geeignete Spannungsquelle erzeugt und an geeigneten Punkten im Verdichter bzw. den entsprechenden Komponenten bzw. Bauteilen angelegt werden.
  • Denkbar ist es nun, die Höhe der Gegenspannung vorab zu ermitteln, beispielsweise basierend auf der elektrochemischen Spannungsreihe und der daraus ableitbaren Spannung der betreffenden Materialien. Für den Fall von Aluminium (E0 = -1,66 V) und Zink (E0 = -0,76 V) ergibt sich beispielsweise eine Spannung von (betragsmäßig) 0,9 V. Für den Fall von Zink und Eisen (E0 = -0,44 V) ergibt sich beispielsweise eine Spannung von (betragsmäßig) 0,32 V. Die Gegenspannung kann dann entsprechend vorgegeben werden.
  • Besonders bevorzugt ist es jedoch, wenn die Spannung des elektrochemischen Elements gemessen und basierend darauf die Gegenspannung eingestellt wird. Hierzu kann eine geeignete Messeinrichtung vorgesehen sein, die beispielsweise an geeigneten Punkten der verschiedenen Materialien die anliegende Spannung abgreift. Dies ermöglicht dann eine besonders genaue Einstellung bzw. Vorgabe der Gegenspannung und somit eine möglichst weitgehende Kompensation der durch das elektrochemische Element hervorgerufenen Spannung. Dies führt letztlich zu einem möglichst geringen Verschleiß der Materialien des Verdichters und damit des Verdichters insgesamt.
  • Bevorzugt ist es zudem auch, wenn Gegenspannung im Rahmen einer Regelung eingestellt wird. Auf diese Weise können eventuelle Abweichungen während eines Betriebs des Verdichters ausgeglichen werden.
  • Vorzugsweise wird als Verdichter ein Kolbenverdichter und/oder ein mehrstufiger Verdichter verwendet, insbesondere also beispielsweise ein mehrstufiger Kolbenverdichter. Solche Verdichter sind verhältnismäßig einfach im Aufbau, profitieren aber dennoch von den Vorteilen der ionischen Flüssigkeit als Betriebsflüssigkeit. Außerdem kommen Schraubenverdichter, Scrollverdichter, Rotationsverdichter, oder Verdichter, in denen Zwei-Phasengemische anwendbar sind, in Betracht.
  • Es ist von Vorteil, wenn mittels des Verdichters ein Gas, insbesondere Wasserstoff, oder ein Gasgemisch verdichtet wird. Wie bereits erwähnt, ergibt sich durch die Verwendung der ionischen Flüssigkeit der Vorteil, dass keine Rückstände dieser Flüssigkeit in verdichtetem Gas verbleiben und damit ein besonders reines, verdichtetes Gas erhalten werden kann. Dies ist gerade bei Wasserstoff von besonderem Interesse, da Wasserstoff beispielsweise für Antriebe, insbesondere mit Brennstoffzellen, verwendet wird.
  • Gegenstand der Erfindung ist weiterhin ein Verdichter, in dem eine ionische Flüssigkeit als Betriebsflüssigkeit vorgesehen ist, und bei dem zwei verschiedene Materialien des Verdichters mit der ionischen Flüssigkeit in Kontakt stehen und ein elektrochemisches Element bilden. Dabei handelt es sich insbesondere um einen sog. ionischen Verdichter. Zudem ist nun eine Spannungsquelle vorgesehen, mit der eine Gegenspannung wenigstes zum teilweisen Ausgleich einer Spannung des elektrochemischen Elements an dem Verdichter anlegbar ist.
  • Vorzugsweise ist zudem eine Messeinrichtung zum Messen der Spannung des elektrochemischen Elements vorgesehen, wobei die Spannungsquelle dazu eingerichtet ist, die Gegenspannung basierend auf der gemessenen Spannung einzustellen.
  • Es ist von Vorteil, wenn eine Steuer- und/oder Regeleinheit zum Einstellen und/oder Regeln der Gegenspannung vorgesehen ist. Ebenfalls von Vorteil ist, wenn der Verdichter als Kolbenverdichter und/oder mehrstufig ausgebildet ist.
  • Hinsichtlich der näheren Erläuterung sowie weiterer bevorzugter Ausgestaltungen und Vorteile des erfindungsgemäßen Verdichters sei zur Vermeidung von Wiederholungen auf obige Ausführungen zum erfindungsgemäßen Verfahren, das anhand eines Verdichters erläutert wird, verwiesen, die hier entsprechend gelten.
  • Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnung
    • Figur 1
    zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Verdichter in bevorzugter Ausführungsform, der sich zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens eignet.
    Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
  • In Figur 1 ist ein erfindungsgemäßer Verdichter 100 in einer bevorzugten Ausführungsform dargestellt. Der Verdichter weist hier fünf Zylinder 110, 111, 112, 113 und 114 auf sowie eine weitere Kammer 150. Der Zylinder 110 weist einen beweglichen Kolben 120 auf sowie ein Einlassventil 140 und ein Auslassventil 141, wobei diese beiden Ventile jeweils in einem Zylinderkopf 130 angeordnet sind.
  • Die weiteren vier Zylinder sind gleichartig ausgebildet, der Übersichtlichkeit halber sind hier jedoch keine Bezugszeichen dargestellt. Anzumerken ist noch, dass die weiteren Zylinder 111 bis 114 kleiner sind als der Zylinder 110, um eine entsprechende, stufenartige Verdichtung zu ermöglichen. Die jeweiligen Kolben können dabei beispielsweise über einen geeigneten (hier nicht dargestellten) Antrieb nach Stand der Technik bewegt werden.
  • Über einen Einlass 121 kann nun ein Gas b, beispielsweise Wasserstoff, in den Zylinder 110 eingebracht werden. Über eine Rohrleitung 120 (oder eine andere geeignete Verbindung) kann in dem Zylinder 110 verdichtetes Gas dann in den nächsten Zylinder 111 geleitet werden. Über weitere solche Rohrleitungen kann das immer weiter verdichtete Gas schließlich in die Kammer 150 und von dort über einen Auslass 122 wieder aus dem Verdichter 100 herausgeführt werden. Zusätzlich ist eine verschließbare Verbindungsleitung 123 vom Einlass 121 zu der Kammer 150 vorgesehen. Die Kammer 150 dient dabei der Abscheidung der ionischen Flüssigkeit aus dem Gasstrom, die Verbindungsleitung 123 erlaubt bedingt durch die Druckdifferenz zwischen der ersten und letzten Verdichterstufe einen Flüssigkeitsstrom, infolgedessen eine gezielte Einspritzung von ionischer Flüssigkeit in den Gasstrom möglich ist.
  • In jedem der Zylinder 110 bis 114 sowie in der Kammer 150 ist nun eine ionische Flüssigkeit a, wie sie eingangs erwähnt wurde, als Betriebsflüssigkeit vorgesehen. Neben einer Wirkung als Kühlung und/oder Schmierung des Verdichters ist es eine Eigenschaft dieser ionischen Flüssigkeit, dass bei der Verdichtung des Gases b keine Rückstände in dem Gas verbleiten. Dies liegt - wie eingangs bereits erwähnt - daran, dass eine ionische Flüssigkeit keinen oder zumindest keinen messbaren Dampfdruck besitzt.
  • Weiterhin ist nun eine Messeinrichtung 160 vorgesehen, mittels welcher hier beispielhaft eine Spannung U zwischen dem Kolben 120 und dem Zylinder 110 bzw. dessen Wandung gemessen wird. Sofern nun der Kolben 120 und der Zylinder 110 bzw. dessen Wandung aus verschiedenen Materialien gefertigt sind, so bilden diese beiden Materialien eine elektrochemische Zelle mit einer - hier mittels der Messeinrichtung 160 - messbaren Spannung U. Beispielsweise kann der Zylinder 110 bzw. dessen Wandung aus Stahl (mit c bezeichnet) gefertigt sein, der Kolben 120 hingegen aus Aluminium (mit d bezeichnet). Dies führt an sich - wie ebenfalls bereits erwähnt - dazu, dass sich eines der Materialien in der ionischen Flüssigkeit b löst und insbesondere an dem anderen Material abscheidet.
  • Weiterhin ist nun eine Spannungsquelle 170, die insbesondere auch Teil einer Steuer- und/oder Regeleinheit sein kann, vorgesehen. Mittels dieser Spannungsquelle 170 ist es nun möglich, eine Gegenspannung UG an den Verdichter, hier zwischen dem Kolben 120 und dem Zylinder 110 bzw. dessen Wandung anzulegen, sodass ein Strom IG fließt. Die Gegenspannung kann nun möglichst genau auf die gemessene Spannung abgestimmt werden, sodass resultierend keine oder zumindest eine deutlich geringere Spannung zwischen den entsprechenden Komponenten bzw. Bauteilen des Verdichters vorliegt, was somit eine Lösung des einen Materials in der ionischen Flüssigkeit verhindert oder zumindest verringert. Dies erhöht entsprechend die Lebensdauer des Verdichters 110.
  • Es versteht sich, dass auch weitere solcher Messeinrichtungen und Spannungsquellen (bzw. Steuer- und/oder Regeleinheiten) vorgesehen sein können und zwar jeweils zwischen anderen zwei Komponenten bzw. Bauteilen mit verschiedenen Materialien. Insbesondere kommen hierbei die zuvor erwähnten Komponenten bzw. Bauteile in Frage. Insgesamt kann auf diese Weise die Lebensdauer des Verdichters 110 deutlich erhöht werden.

Claims (9)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Verdichters (100), bei dem eine ionische Flüssigkeit (a) als Betriebsflüssigkeit verwendet wird, und bei dem zwei verschiedene Materialien (c, d) des Verdichters (100) mit der ionischen Flüssigkeit (b) in Kontakt gebracht werden und ein elektrochemisches Element bilden,
    dadurch gekennzeichnet, dass eine Gegenspannung (UG) wenigstens zum teilweisen Ausgleich einer Spannung (U) des elektrochemischen Elements an dem Verdichter (110) angelegt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Spannung (U) des elektrochemischen Elements gemessen und basierend darauf die Gegenspannung (UG) eingestellt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Gegenspannung (UG) im Rahmen einer Regelung eingestellt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei als Verdichter (100) ein Kolbenverdichter, ein Schraubenverdichter, ein Scrollverdichter, ein Rotationsverdichter, ein Verdichter, in dem ein Zwei-Phasengemisch anwendbar ist, und/oder ein mehrstufiger Verdichter verwendet wird.
  5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei mittels des Verdichters ein Gas (b), insbesondere Wasserstoff, oder ein Gasgemisch verdichtet wird.
  6. Verdichter (110), in dem eine ionische Flüssigkeit (a) als Betriebsflüssigkeit vorgesehen ist, und bei dem zwei verschiedene Materialien (c, d) des Verdichters (100) mit der ionischen Flüssigkeit (a) in Kontakt stehen und ein elektrochemisches Element bilden,
    gekennzeichnet durch eine Spannungsquelle (170), mit der eine Gegenspannung (UG) wenigstes zum teilweisen Ausgleich einer Spannung (U) des elektrochemischen Elements an dem Verdichter (U) anlegbar ist.
  7. Verdichter (100) nach Anspruch 6, mit einer Messeinrichtung (160) zum Messen der Spannung (U) des elektrochemischen Elements, wobei die Spannungsquelle (170) dazu eingerichtet ist, die Gegenspannung (UG) basierend auf der gemessenen Spannung (U) einzustellen.
  8. Verdichter (100) nach Anspruch 6 oder 7, mit einer Steuer- und/oder Regeleinheit zum Einstellen und/oder Regeln der Gegenspannung (UG).
  9. Verdichter (100) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, der als Kolbenverdichter, Schraubenverdichter, Scrollverdichter, Rotationsverdichter, Verdichter, in dem ein Zwei-Phasengemisch anwendbar ist, und/oder mehrstufig ausgebildet ist.
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