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Die vorliegende Erfindung betrifft eine
Schraubenrotormaschine für ein gasförmiges Fluid mit einem Kompressionsteil
und einem diesen antreibenden Expansionsteil, mit
Schraubenrotoren, die jeweils mit schraubenförmigen Rippen und Nuten
versehen sind, über welche sie miteinander kämmen und dabei
winkelförmige Arbeitskammern bilden, und mit einem
Niederdruckanschluß, einem Hochdruckanschluß und
Zwischendruckanschlußmitteln.
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In einem Kompressor wird ein gasförmiges Fluid auf einen
höheren Druck verdichtet, wobei Antriebsenergienergie
verbraucht wird. In einem Expansionsmotor wird ein gasförmiges
Fluid entspannt, wobei Antriebsenergie erzeugt wird. Es
besteht somit die Möglichkeit, einen Kompressor durch einen
Expansionsmotor anzutreiben. Ein Beispiel einer solchen
Konstruktion ist in der DE-A-1 811 285 offenbart, die einen
durch einen Schraubenrotormotor angetriebenen
Schraubenrotorkompressor zeigt. Ein ähnliches Konstruktionsbeispiel ist in
einem Aufsatz in der Zeitschrift "Glückauf" 9/1960, Seiten
576 und 577 beschrieben.
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Nach dem Stand der Technik auf diesem Gebiet, wie er durch
die vorstehend genannten Vorveröffentlichungen beispielhaft
dargestellt ist, sind der Kompressor und der Expansionsmotor
voneinander getrennte Einheiten, deren jede ihren eigenen
Arbeitsraum mit Einlaß- und Auslaßanschlüssen hat und die nur
durch die gemeinsamen Antriebswellen verbunden sind. Eine
solche Konstruktion eines durch einen Expansionsmotor
angetriebenen Kompressors wird deshalb verhältnismäßig
kompliziert.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen durch einen
Expansionsmotor angetriebenen Kompressor zu schaffen, der
einen einfacheren Aufbau als auf diesem Gebiet bekannte
Maschinen hat.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine
Maschine der eingangs genannten Art die im kennzeichnenden
Teil des Patentanspruchs 1 der vorliegenden Anmeldung
angegebenen Merkmale aufweist.
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Eine erfindungsgemäße Maschine hat die Vorteile, daß sie eine
sehr kompakte und einfache Konstruktion darstellt und ein
Minimum an Anschlüssen für die Versorgung und den Ausstoß des
Arbeitsfluids braucht, da ein gemeinsamer
Zwischendruckanschluß sowohl für das zu verdichtende Fluid als auch das zu
entspannende Fluid benutzt werden kann. Die Maschine ist
deshalb insbesondere dort zur Anwendung geeignet, wo niedriges
Gewicht und kleine Maße angestrebt werden, z. B. bei
Verwendungen in Flugzeugen.
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Die Erfindung wird durch die nachstehende detaillierte
Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der
beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
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Fig. 1 ist eine Seitenansicht einer Maschine in
einer ersten Ausführungsform der
Erfindung;
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Fig. 2 zeigt einen vergrößerten Querschnitt nach
Schnittlinie II-II in Fig. 1;
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Fig. 3 stellt eine vereinfachte Seitenansicht
des männlichen Rotors der Maschine nach
Fig. 1 dar;
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Fig. 4 ist ein Diagramm, welches den
Arbeitsprozeß der Maschine nach Fig. 1 - 3
erläutert;
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Fig. 5 zeigt eine Draufsicht einer Maschine nach
einer zweiten Ausführungsform der
Erfindung, wobei die obere Hälfte des Gehäuses
entfernt ist;
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Fig. 6 und 7 sind Querschnitte nach Schnittlinien
VI-VI und VII-VII in Fig. 5;
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Fig. 8 stellt eine vereinfachte Seitenansicht
des männlichen Rotors der Maschine nach
Fig. 5 dar;
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Fig. 9 ist ein Diagramm, welches den
Arbeitsprozeß der Maschine nach Fig. 5 - 8
darstellt;
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Fig. 10 und 11 sind vereinfachte Seitenansichten des
männlichen Rotors von Maschinen nach
weiteren Ausführungsformen der Erfindung;
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Fig. 12 und 13 sind Diagramme, die jeweils den
Arbeitsprozeß der Maschinen nach Fig. 10 bzw. 11
zeigen.
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Fig. 1 stellt eine Seitenansicht einer Maschine nach einer
ersten Ausführungsform der Erfindung dar. Das Gehäuse,
welches aus zwei Endwänden 4 und 6 und einer sich dazwischen
erstreckenden Umfangswand 2 besteht, begrenzt einen
Arbeitsraum, in welchem zwei Rotoren zusammenwirken. Auf der
Außenseite der Endwände 4 und 6 befinden sich Lagergehäuse 26 und
28. Die Maschine hat einen ersten Einlaßkanal 8 für
Druckluft,
einen zweiten Einlaßkanal 10 für Vakuum und einen
gemeinsamen Auslaßkanal 12, der zur Außenatmosphäre führt.
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Wie aus Fig. 2 ersichtlich, hat der durch das Gehäuse
gebildete Arbeitsraum die Form von zwei sich schneidenden
Zylindern und enthält einen männlichen Rotor 14 und einen
weiblichen Rotor 16. Der männliche Rotor 14 hat vier sich
schraubenförmig erstreckende Rippen 18 und dazwischenliegende Nuten
22, und der weibliche Rotor 16 hat sechs Rippen 20 und
dazwischenliegende Nuten 24. Die Rotoren sind über die Rippen 18,
20 und Nuten 24, 22 in Eingriff und bilden zwischen sich und
den Wänden 2, 4, 6 des Gehäuses Arbeitskammern. Die
Arbeitskammern wandern axial längs der Maschine, wenn sich die
Rotoren drehen, und ändern dabei ihre Volumen. Das Volumen jeder
Arbeitskammer beginnt an dem einen Ende der Maschine bei Null
und vergrößert sich kontinuierlich bis zu einem Maximum, von
dem es sich dann wieder auf Null am anderen Ende der Maschine
verringert. Diese Volumenänderungen werden für die Expansion
und Kompression von Luft benutzt, indem an den entsprechenden
Stellen dieses Zyklus Anschlüsse für die Zufuhr und den
Auslag von Luft mit unterschiedlichen Drücken vorgesehen werden.
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Wie diese Anschlüsse relativ zu den sich vergrößernden und
verkleinernden Arbeitskammern angeordnet sind, kann am besten
anhand von Fig. 3 verstanden werden, wo schematisch der
männliche Rotor 14 in einer Seitenansicht dargestellt ist. Die
Spitzen der Rippen bilden Dichtungslinien S mit der
Umfangswand, und zwischen zwei Dichtungslinien ist jeweils eine
Kammer C gebildet. Die Kammer steht in Verbindung mit einer
ähnlichen Kammer, die durch die Rippen des weiblichen Rotors
gebildet ist, und zusammen stellen diese eine winkelförmige
Arbeitskammer dar. Um den Arbeitsprozeß zu verstehen, genügt
es, nur den in der Zeichnung sichtbaren Teil der
Arbeitskammer zu betrachten. Während des Betriebs durchläuft jede
Arbeitskammer C während ihres vollständigen Arbeitszyklus fünf
Phasen, nämlich eine erste Füllphase, eine Expansionsphase,
eine zweite Füllphase, eine Kompressionsphase und eine
Auslaßphase.
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Mit Bezug auf Fig. 3 wird am oberen linken Ende der Maschine
Druckluft mit einem Druck p&sub2;, der über dem Atmosphärendruck
liegt, vom Hochdruck-Einlaßkanal 8 über einen
Hochdruck-Einlaßanschluß 30 einer Arbeitskammer zugeführt, in welcher das
Volumen von Null auf einen verhältnismäßig kleinen Wert V&sub1;
ansteigt, bis die Verbindung mit dem Hochdruck-Einlaßanschluß
30 durch die hintere Dichtungslinie der Arbeitskammer
abgeschnitten wird. Dies stellt die erste Füllphase dar.
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Während die Arbeitskammer dann in der Zeichnungsfigur weiter
nach rechts wandert, vergrößert sich auch ihr Volumen weiter,
was eine Druckabsenkung zur Folge hat. Diese Expansionsphase
dauert an, bis die voreilende Dichtungslinie der
Arbeitskammer den Niederdruck-Einlaßanschluß 32 erreicht. In diesem
Moment hat sich das Volumen der Arbeitskammer auf V&sub2;
vergrössert, und das ist so viel, daß in der Arbeitskammer ein
Vakuum mit dem Druck P&sub1; erzeugt wird.
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Wenn die voreilende Dichtungslinie der Arbeitskammer den
Niederdruck-Einlaßanschluß 32 erreicht hat, kommt die
Arbeitskammer in Verbindung mit dem Niederdruckeinlaßkanal 10, in
welchem der Druck auf demselben Vakuumniveau P&sub1; liegt, auf
welches der Druck in der Arbeitskammer durch Expansion
gesenkt wurde. Während die Arbeitskammer in Verbindung mit dem
Niederdruckeinlaßkanal 10 steht, vergrößert sich ihr Volumen
noch weiter, aber der Druck bleibt konstant auf dem
Druckniveau des Niederdruckeinlaßkanals 10, weil Luft daraus in die
Arbeitskammer eingesaugt wird. Diese zweite Füllphase endet,
wenn die Arbeitskammer so weit nach rechts gewandert ist, dar
die Verbindung mit dem Niederdruck-Einlaßanschluß 32 durch
die nacheilende Dichtungslinie abgeschnitten wird.
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Die Arbeitskammer hat jetzt ihr größtes Volumen V&sub3; , und es
beginnt die Kompressionsphase, indem das Volumen der
Arbeitskammer sich zu verringern beginnt. Die Kompression dauert an,
bis die voreilende Dichtungslinie den Auslaßanschluß 34
erreicht. Er ist so angeordnet, daß der Druck in der
Arbeitskammer auf Atmosphärendruck p&sub0; angehoben worden ist, wenn die
Arbeitskammer mit dem Anschluß in Verbindung kommt. Das
Volumen hat sich in diesem Moment auf V&sub4; verringert.
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Die Luft mit atmosphärischem Druck wird dann während der
Ausstoßphase des Arbeitszyklus, in der das Volumen der
Arbeitskammer von V&sub4; auf Null zurückgeht, durch den Auslaßanschluß
34 in die umgebende Atmosphäre ausgestoßen.
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Wie aus der vorstehenden Beschreibung des Arbeitszyklus
hervorgeht, hat die Maschine einen Expansionsteil und einen
Kompressionsteil. Der Expansionsteil besteht aus denjenigen
Arbeitskammern, die mit dem Hochdruck-Einlaßanschluß in
Verbindung stehen, und denjenigen Arbeitskammern, in welchen die
Luft expandiert, bevor die Kammern mit dem
Niederdruck-Einlaßanschluß 32 in Verbindung gebracht werden. Der
Kompressionsteil wird durch die übrigen Arbeitskammern gebildet. Die
Lage der Anschlüsse und die Bemessung der Maschine sind so,
daß die in dem Expansionsteil erzeugte Arbeit gleich der zum
Antrieb des Kompressionsteils benötigten Energie ist.
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Der Arbeitszyklus ist in Fig. 4 durch ein pV-Diagramm
dargestellt, das dessen fünf Phasen zeigt.
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I ist die erste Füllphase von
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V = 0; p = p&sub2; bis V = V&sub1;; p = p&sub2;
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II ist die Expansionsphase von
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V = V&sub1; ; p = p&sub2; bis V = V&sub2; ; p = p&sub1;
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III ist die zweite Füllphase von
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V = V&sub2;; p = p&sub1; bis V = V&sub3;; p = p&sub1;
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IV ist die Kompressionsphase von
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V = V&sub3;;
p = p&sub1; bis V = V&sub4;; p = p&sub0;
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V ist die Ausstoßphase von
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V = V&sub4; ; p = p&sub0; bis V = 0; p = p&sub0;
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Fig. 5 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung in
Draufsicht, wobei der obere Teil des Gehäuses weggelassen
ist. Bei dieser Ausführung ist jeder der beiden Rotoren 114
und 116 unterteilt in zwei unterschiedlich geformte Teile,
wodurch ein Expansionsteil und ein Kompressionsteil gebildet
werden. Der männliche Rotor 114 ist dabei zusammengesetzt aus
einem Expansionsteil 114a und einem Kompressionsteil 114b,
und der weibliche Rotor 116 aus einem Expansionsteil 116a und
einem Kompressionsteil 116b. Der Steigungswinkel αma, αfa
der Schraube auf dem jeweiliegen Expansionsteil 114a bzw.
116a ist kleiner als der Steigungswinkel αmb, αfb der
Spirale auf dem entsprechenden Kompressionsteil 114b bzw. 116b.
Auch die axiale Steigung Sma, Sfa des jeweiligen
Expansionsteils 114a bzw. 116a ist kleiner als die axiale Steigung Smb
und Sfb des jeweiligen Kompressionsteils 114b bzw. 116b.
Darüber hinaus ist die Richtung der Spiralen auf den beiden
Teilen jedes Rotors entgegengesetzt zueinander. Der Durchmesser
des weiblichen Rotors 116 ist in seinen beiden Teilen 116a
und 116b derselbe, während der Kompressionsteil 114b des
männlichen Rotors einen größeren Durchmesser hat als sein
Expansionsteil 114a. Die Form der Rotoren in Querebenen der
Rotorachsen ist aus Fig. 6 und 7 ersichtlich, wo Querschnitte
durch den Expansionsteil bzw. den Kompressionsteil gezeigt
sind. Beide Teile des männlichen Rotors 114 haben drei Rippen
118a, 118b mit dazwischenliegenden Nuten 122a, 122b,
unterscheiden sich aber in der Form. Beide Teile des weiblichen
Rotors 116 haben fünf Rippen 120a, 120b mit
dazwischenliegenden Nuten 124a, 124b und unterscheiden sich in der Form.
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Für die Zufuhr von Druckluft ist an dem mit Bezug auf Fig. 5
linken Ende des Expansionsteils ein Hochdruck-Einlaßanschluß
vorgesehen, und für die Zufuhr von Luft bei Unterdruck ist am
rechten Ende des Kompressionsteils ein
Niederdruck-Einlaßanschluß angebracht. Wo die beiden Teile zusammentreffen,
befindet sich ein gemeinsamer Auslaßanschluß unter
Außenatmosphärendruck. Keiner dieser Anschlüsse ist in Fig. 5
sichtbar, aber in der schematischen Darstellung der Fig. 8 sind
sie gezeigt.
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Fig. 8 veranschaulicht, wie die Maschine funktioniert, und
zeigt den männlichen Rotor 114 in einer vereinfachten
Seitenansicht. Luft mit einem Druck p&sub2;, der über dem
Atmosphärendruck liegt, wird an dem mit Bezug auf die Zeichnungsfigur
oberen linken Ende des Expansionsteils von einem Hochdruck-
Einlaßkanal 108 über einen Hochdruck-Einlaßanschluß 130 dem
Expansionsteil des Arbeitsraums zugeführt, wo der
Expansionsteil 114a des männlichen Rotors und der nicht gezeigte,
zugehörige, zusammenwirkende Teil des weiblichen Rotors die Luft
auf den Atmosphärendruck p&sub0; expandieren. Die Luft mit
Atmosphärendruck verläßt die Maschine durch einen gemeinsamen
Auslaßanschluß 134 über einen Auslaßkanal 112. Im oberen
rechten Teil des Kompressionsteils wird Luft mit einem Druck
p&sub1; , der unterhalb des atmosphärischen Drucks liegt, dem
Kompressionsteil des Arbeitsraums von einem
Niederdruck-Einlaßkanal 110 über einen Niederdruck-Einlaßanschluß 132
zugeführt. Die Luft wird durch den Kompressionsteil 114b des
männlichen Rotors und den zugehörigen, zusammenwirkenden Teil
des weiblichen Rotors auf Atmosphärendruck komprimiert. Die
komprimierte Luft mit Atmosphärendruck verläßt die Maschine
zusammen mit der Luft von dem Expansionsteil durch den
gemeinsamen Auslaßanschluß 134.
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Es gibt keine Trennwand zwischen den beiden Teilen an der
Stelle, wo die Expansionsteile und die Kompressionsteile der
Rotoren zusammentreffen. Wegen der Tatsache, daß die
Anschlüsse so angeordnet sind, daß die Druckluft auf denselben
Druck entspannt wird, auf den die mit Unterdruck zugeführte
Luft verdichtet wird, nämlich den atmosphärischen Druck,
brauchen die beiden Teile nicht durch solch eine Trennwand
getrennt zu werden.
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Der Arbeitsprozeß ist in Fig. 9 in einem pV-Diagramm
dargestellt. Der obere Teil des Diagramms representiert die
Expansion und der untere Teil die Kompression.
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Eine erfindungsgemäße Maschine, wie sie beispielhaft durch
die beiden vorstehend beschriebenen Ausführungen dargestellt
wurde, bietet eine einfache und zuverlässige Möglichkeit, ein
bestimmtes Vakuum zu erzeugen und aufrecht zu erhalten, indem
Druckluft als einzige Antriebsquelle benutzt wird, wobei die
Maschine nur einen einzigen Arbeitsraum sowohl für den
Antrieb als auch für die Arbeitsleistung aufweist. Insbesondere
die in Fig. 1 bis 4 gezeigte Ausführung hat beträchtliche
Vorteile, da ein einziges Paar gleichförmiger Rotoren
gleichzeitig als Expansionsmotor und Kompressor wirkt und somit
keine speziellen, sonst notwendigen Maßnahmen braucht, um
diese beiden aneinander anzupassen. Außerdem ist die
Herstellung der Rotoren einfach, da wegen ihrer gleichmäßigen Form
für jeden Rotor nur ein einziger Schneidvorgang erforderlich
ist.
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Wie oben erwähnt, machen die mit einer erfindungsgemäßen
Maschine erreichbaren kleinen Maße und ihr geringes Gewicht sie
besonders geeignet für vakuumerzeugende Installationen in
einem Flugzeug, z. B. zur Verwendung in dessen
Vakuumtoilettensystem.
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Die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele können zur
Verwendung bei anderen Anwendungen modifiziert werden. Indem
der Niederdruckanschluß an einen Kanal mit atmosphärischem
Druck angeschlossen wird, kann die Maschine in Situationen
benutzt werden, wo Druckluft zur Verfügung steht, aber
Druckluft mit niedrigerem Druck gebraucht wird. Der
Energieverbrauch, der stattfindet, wenn die Druckluft einfach nur auf
das benötigte Niveau herabgedrosselt wird, wird dadurch
vermieden, da die Energie der Expansion der Luft vom hohen Druck
auf den benötigten Druck dazu benutzt wird, Luft mit
Atmosphärendruck auf dieses Druckniveau zu komprimieren.
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Noch weitere Abwandlungen der Maschine sind in Fig. 10 und 11
dargestellt, die Anwendungen zeigen, wo die Maschine zur
Druckverstärkung benutzt wird. Nach Fig. 10 wird Druckluft
mit Druck p&sub2; von einem Zwischendruckkanal 212 der Maschine
zugeführt und expandiert darin auf atmosphärischen Druck p&sub1;.
Ein Teil der expandierten Luft wird durch einen
Niederdruckanschluß 232 augestoßen, der mit einem Kanal 210 unter
Atmosphärendruck verbunden ist. Nachdem die Arbeitskammer von der
Verbindung mit dem Niederdruckanschluß 232 abgeschnitten ist,
wird die verbleibende Luft von atmosphärischem Druck auf
einen Druck p&sub3; komprimiert, der den Eingangsdruck p&sub2;
übersteigt, und verläßt die Maschine durch den
Hochdruckauslaßanschluß 230.
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Fig. 11 zeigt eine Maschine, die im Vergleich mit der in Fig.
10 gezeigten dahingehend abgewandelt ist, daß ein zweiter
Zwischendruck-Einlaßanschluß 336 vorhanden ist. Durch diesen
Anschluß wird Luft desselben Drucks p&sub2; wie die Luft in dem
gemeinsamen Zwischendruck-Einlaßanschluß 334 einer
Arbeitskammer zugeführt, nachdem die Verbindung zwischen dieser und
dem Niederdruckauslaßanschluß 332 abgeschnitten ist. Die
Verdichtung beginnt somit von einem höheren Druckniveau aus als
bei der Ausführung nach Fig. 10.
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Fig. 12 und 13 zeigen in pV-Diagrammen den Arbeitsprozeß der
Maschinen nach Fig. 10 bzw. 11.
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Wie durch die verschiedenen, vorstehend beschriebenen
Ausführungsbeispiele der Maschine aufgezeigt, kann man sich ihre
Vorteile bei vielen verschiedenen Anwendungen zu nutze
machen, um Drücke in solche mit jeweils gewünschtem Niveau
umzuwandeln. Somit kann die Maschine als Vakuumerzeuger oder
als Druckverstärker eingesetzt werden oder zur Verringerung
eines Drucks in der Weise, dar die Luftmenge bei dem
reduzierten Druckniveau größer ist als die mit hohem Druck
zugeführte Menge.