DE2264908A1

DE2264908A1 - Rotationskolbenmaschine (radialbeaufschlagung)

Info

Publication number: DE2264908A1
Application number: DE2264908*A
Authority: DE
Inventors: Spaeter Genannt Werden Wird
Original assignee: Miller Lloyd E Miami Fla (vsta)
Current assignee: Miller Lloyd E Miami Fla (vsta)
Priority date: 1971-11-05
Filing date: 1972-05-29
Publication date: 1975-08-21
Also published as: IT972430B; CA955569A; DE2226565A1; DE2226565B2; FR2159908A5; US3728049A

Description

Dr.»Ing. Heizhäuser

P a i G η t c. η \ ν ί ! ί e
605OFFENBAC^aMMAIN
Herrnstraße 37 · Telefon 88 83 84
P 22 64 908.7

28. Februar 1975 WG/F

Lloyd Eo Miller

Miami, Florida, V.St.A,

Rotationskolbenmaschine (Radialbeaufschlagung)

Die Erfindung bezieht sich auf eine Rotationskolbenmaschine mit Kämmeingriff zwischen mindestens zwei um eine Gehäuseachse drehbar angeordneten schraubenförmigen Rotoren und einem schraubenförmige Innenwandungen aufweisenden stationären Gehäuse und einem um die Gehäuseachse drehbaren Träger, in dem die schraubenförmigen Rotoren drehbar und um die Gehäuseachse umlaufend gelagert sind.

Bei derartigen bekannten Rotationskolbenmaschinen treten im Betrieb Druckstöße und Strömungsverluste auf.

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In der gleichzeitigen Patentanmeldung P 22 26 565.2-13 ist eine Verbesserung derartiger bekannter Rotationskolbenmaschinen beschrieben, die darauf beruht, daß die Rotoren Trochoidenbahnen beschreiben. Hierdurch wird der Wirkungsgrad derartiger Rotationskolbenmaschinen weiter verbessert» Eine Rotationskolbenmaschine nach der genannten Patentanmeldung ist fUr axiale DurchsirtJmung ausgebildet.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, j in gleichem Maße wie bei der genannten Parallelanmeldung ! den Wirkungsgrad zu verbessern und dabei eine gleichzeitige! Kompression oder Expansion des Strömungsmediums zu erzielen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Schraubenflächen des Gehäuses Hüllflächen für Trochoidenbahnen bilden, die beim Umlauf der Rotoren von den FlUgelpunkten der Rotoren beschrieben werden und daß die Drehachsen der Rotoren gegenüber der Längsachse des Gehäuses um einen Winkel geneigt angeordnet sind.

Bei dieser Anordnung können in weiterer Ausgestaltung der Erfindung die Rotoren in Strömungsrichtung konstante Breite und zunehmende Steigung oder eine zunehmende Breite besitzen. Dabei besteht die Möglichkeit, diese Rotations-

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kolbenmaschine entweder als Turbine oder als Pumpe zu betreiben, je nachdem von welcher Seite her das durchströmende Medium zugeführt wird«,

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann der genannte Winkel der Rotorachsen im Grenzfall 90° gegenüber der Gehäuseachse betragen. Die geometrischen Orte der Kanten der Rotoren sind erfindungsgemäß Epitrochoidenkurven, welche die in Eingriff kommenden Flächen der Gehäuseteile begrenzen. Dabei weist jeder Rotor zweckmäßig mindestens zwei Schraubenwindungen auf, deren Querschnitt ein dünnes Zweieck mit Konchoidenseiten ergibt.

Die Außenflächen der Gehäuseteile, die den Rotoren benachbart liegen, können im Grunde konisch verlaufen.

Bei einer erfindungsgemäßen Rotationskolbenmaschine ist es wichtig, daß die Anzahl der Schraubenwindungen der Rotoren bzw« der Hüllwinkel über die Länge der Rotoren so groß ist, daß durch die Haschine hindurch keine freie Verbindung besteht. Vielmehr werden durch diese Maßnahme Taschen gebildet, die das Strömungsmedium aufnehmen und in den es durch die Maschine hindurchströmt.

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Die Erfindung ist im Folgenden anhand einiger Ausführungsbeispiele näher erläutert, wobei zunächst eine Erläuterung des Prinzips einer erfindungsgemäßen Maschine vorangestellt ist_o Diese Erläuterung erfolgt aufgrund der beigefügten Zeichnungen, und zwar zeigt:

Fig.1: eine perspektivische Ansicht, zum Teil im Schnitt, einer Rotationskolbenmaschine nach dem der Erfindung zugrundeliegenden Prinzip mit achsialer Durchströmung; ■

Fig.2: eine erfindungsgemäße Maschine für radiale '·■ Durchströmung; j

Fig.3: eine seitliche Schnittansicht einer Maschine

nach Fig.2; ι

Fig.4: eine Vorderansicht des in Fig.2 fortgelassenen Gehäuseteils;

Fig.5: eine Vorderansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels; -

Fig.6: eine Vorderansicht eines dritten Ausführungsbeispiels;

Fig.7: eine Vorderansicht eines vierten Ausführungsbeispiels;

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Fig.8: eine seitliche Schnittansicht des in Fig.7 gezeigten Ausführungsbeispiels;

Fig.9: eine Ansicht ähnlich der Fig.7, aber mit weggelassenen Rotorflügeln und

Fig.10: eine Ansicht von der Rückseite des in Fig.7 dargestellten Ausführungsbeispiels.

In Fig.1 ist eine Rotationskolbenmaschine 10 mit axialer Durchströmung dargestellt, die als Kompressor oder Expansionsmaschine arbeiten kann. Ein runder Gehäusemantel 11 sitzt fest auf einer Unterlage. Ein schneckengetriebeähnlicher Zentralkörper 12 ist koaxial fest und nicht drehbar innerhalb des Gehäusemantels 11 gehalten, so daß dazwischen ein ringförmiger Zwischenraum geschaffen wird, in dem eine Anzahl von Rotoren 13 drehbar und umlaufend angeordnet sind, wobei sie in einer als Träger ausgebildeten Scheibe 20 drehbar gelagert sind, die auf einer Maschinenwelle 30 drehbar gehalten ist.

Wie Fig.1 und 2 erkennen lassen, besitzt der Träger 20 zwei Flansche 21 und 22, welche von der Nabe 23 vereint werden. Der Träger läuft auf Lagern 24 und 25, die auf

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der festen koaxialen Maschinenwelle 30 sitzen· Die feste Maschinenwelle 30 wird von Streben 16 und 17 gehalten, j und zwar an dem einen Ende, während sie mittelbar am

anderen Ende von dem Antriebswellenlager 29 gestützt wird, j Die Maschinenwelle 30 bildet auch einen Halt für den j nicht drehbaren Zentralkörper 12.

Der Träger weist Lagersätze 26 und 27 auf, welche die zu ι lagernden Wellen 14 der Rotoren 13 aufnehmen. Diese sind

nur an einem Ende gelagert, so daß ihre Lager gegen die Arbeitsflüssigkeit der Vorrichtung abgeschirmt werden ; können.

j Bei dieser Maschine sind 8 Rotoren vorgesehen, die in

ί gleichen Winkelabständen angeordnet sind. Die Achse jedes

j Rotors sitzt auf einem gleichen radialen Abstand zur

Welle 30 des Trägers, so daß die Rotoren alle auf demselben Kreis umlaufen. Wegen dieser radialen Symmetrie ist die ganze Umlaufeinheit von Natur aus ausgewogen und bedarf keiner äußeren Gegengewichte für eine Korrektur.

Die Innenseite des Gehäusemantels 11, der Zentralkörper und die Rotoren 13 sind schraubenförmig, d.h», daß sie

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Gewindeflächen bilden. Diese Gewindeflächen gehen über eine und eine viertel Windung mit gleicher Steigung über die ganze Länge dieser Teile, d.h. sie haben einen Hüllwinkel von

Es ist weiter zu bemerken, daß die Teile 11-13 sich gegenseitig nicht berühren, aber so bemessen sind, daß sie einen "Zwischenraum" oder radialen Durchlaß dazwischen einschließen.

Wie ersichtlich, haben die Rotoren 13 eine Form, welche gewundenen Bändern ähnelt. Man kann sie als schraubenförmige Planetenräder mit zwei Windungen ansehen, die mit dem Gehäuse und dem Zentralkörper kämmen. Ihre Querschnitte sind dünne Zweiecke.

Die Dicke der Rotoren wird bewußt so dünn wie strukturell möglich gemacht, um den geringsten Strömungswiderstand zu erhalten.

Jeder Rotor 13 hat einen Schraubenhüllwinkel von fünf Achteln einer Umdrehung oder 225°, was der Hälfte eines Hüllwinkels des Gehäuses oder des Zentralkörpers ist.

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Ihre Gewindesteigung ist gleich der Gewindesteigung des Gehäuses bzw. des Zentralkörpers.

In der Durchlaßzone berührt die Kante eines Rotors gerade die Kante eines benachbarten Rotors, da hier gerade die Berührung mit dem Teil 11 oder 12 unterbrochen hat. Der Durchlaß besitzt eine geeignete Breite» um die Schmalseiten der Rotoren durchtreten zu lassen.

Dies ist von Trochoidengetrieben bekannt, so daß sich weitere Erläuterungen erübrigen»

Die Ausbildung und Anordnung der Rotoren bewirkt, daß innerhalb des Gehäuses fortschreitende Taschen gebildet werden, deren Volumina sich im Betrieb fortlaufend ändern. Die genannten Hüllwinkel bewirken, daß keine freie Verbindung durch das Gehäuse hindurch besteht. Hieraus folgt, daß eine Druckflüssigkeit, die auf das eine der Enden der Maschine wirkt, eine Ausdehnung der Taschen und eine Drehung der Rotoren verursacht. Die mechanische Reaktion der Rotoren auf das Gehäuse und den Zentralkörper bewirkt eine Drehung des Trägers 20, so daß eine mechanische Leistung an der Trägerantriebswelle 28 abgenommen werden kann.

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Obwohl eine Führung für die Rotoren von selbst durch ihren Eingriff mit dem Gehäuse und dem Zentralkörper gegeben ist, kann auch in an sich bekannter Weise ein Planetengetriebe als äußere Führung dienen, welche eine genaue Umdrehungskontrolle der Rotoren bewirkt, damit eine reibende Berührung vermieden und ein Verschleiß herabgesetzt wird.

Unter Bezugnahme auf das vorbeschriebene Prinzipbeispiel für axiale Durchströmung ist zu bemerken, daß, je nach Lage des Falls, keine Kompression oder Expansion hinter dem Punkt stattfindet, an dem die Rotorflügel und die Gehäuse einen genügend großen Hüllwinkel haben, um ein zwangsläufiges Schließen zu bewirken, so daß durch die Vorrichtung hindurch keine freie Verbindung besteht. Wird eine stärkere Umhüllung verwendet, könnte ihre einzige Funktion sein, ein Lecken durch ein Vermehren der Dichtkanten zu verhindern, was bedeutet, daß ein längerer und gewundenerer Leckweg vorhanden wäre, über den die unter Druck stehende Flüssigkeit entweichen müßte.

Es ist jedoch möglich, die Flüssigkeit fortschreitend

ι durch die Vorrichtung zu komprimieren oder zu expandieren!,

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indem die Rotorflügel und Gehäuseteile mit einer schraubenförmigen Steigung versehen werden, die nicht gleich bleibt, sondern sich über die Länge ändert. Es versteht sich, daß bei Jedem Querschnitt durch eine solche Vorrichtung die Flügel und die Gehäuseteile gleiche Steigung haben.

Ein noch anderes Verfahren zum fortschreitenden Komprimieren oder Expandieren der Arbeitsflüssigkeit besteht nun nach der Erfindung darin, die Rotorflügel und die Gehäuse sich verjüngen zu lassen, was wiederum erfordert, daß die Steigung der Flügel und der Gehäuseteile an Irgendeinem Querschnitt der Vorrichtung gleich ist. Eine solche Ausführung hat Rotor- und Gehäuseachsen, die sich an dem Ende mit kleinerem Querschnitt schneiden. Wegen der offensichtlichen Ähnlichkeit dieser Ausführung mit einer Maschine nach Fig.1 ist sie in der Zeichnung fortgelassen. Es ist sehr wichtig zu bemerken, daß jedoch bei einer solchen Maschine die Grenzform eine Anordnung bildet, bei der die Rotoren radial angeordnet sind. Gerade das ist der Gegenstand der im folgenden beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung.

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In Fig. 2 und 3 ist in einer aufgeschnittenen Ansicht eine Ausführung der Erfindung für eine radiale Strömung wiedergegeben, bei der schraubenförmige Rotoren 313 radial auf einem drehbaren Träger 320 drehbar gelagert sind, wobei die Kanten dieser Rotoren frei in Eingriff mit ortsfesten Gehäuse teilen 311 und 312 mit Gewindeflächen kommen, die vor und hinter den Rotoren angeordnet sind. Die Vorrichtung hat ganz allgemein die Eigenschaft eines Flugzeugflügels mit verstellbarer Steigung, abgesehen davon, daß bei der Umdrehung des Trägers, der in diesem Fall einer Propellerhaube ähnelt, die Flügel sich ständig um ihre Achsen drehen*

Die Rotoren sind für sich in radial angeordneten Lagern 326 und 327 drehbar» Bei 12 Flügeln liegen die Lagersätze 30° auseinander. Außerdem ist die ganze Trägereinheit in ihren eignen Hauptlagern 324 und 325 drehbar» Jeder Rotor hat einen Flügel mit verhältnismäßig dünnem Querschnitt, j der eine Windung von 180° über seine Länge aufweist. Auch hat jeder Flügel eine Breite, die von der Trägermitte

her zunimmt. Von der Stirnseite her gesehen, wie in Fig.2, berühren sich die Flügel gerade einander abdichtend während der Rotation um ihre Achsen. Zu allen Zeiten besteht wenigstens eine einzelne Berührung der Kanten benachbarter

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Flügel. Zu beiden Seiten der Rotoren sitzt koaxial je ein Gehäuseteil 311, 312, die feststehen und deren Innenseiten wenigstens eine Spiralwindung in Form einer Epitrochoide zeigen, die mit den Rotorflügeln kämmt, während diese sich gleichzeitig mit der Rotation des Trägers um ihre Achsen drehen.

Der Eingriff zwischen Rotoren und Gehäuseteilen entspricht dem Grundprinzip nach Fig.1, so daß ein Durchlaß oder mehrere Durchlässe gebildet werden, durch welche die Rotoren beim Arbeiten laufen. Diese Durchlässe sind von der Anordnung der Schraubenwindungen der Innenfläche jedes Gehäuseteils so gebildet, daß sie unmittelbar gegenüber der Schraubenwindung an dem gegenüberliegenden Gehäuseteil liegen» Mit anderen Worten, die vorragenden Kanten der Gehäusegewinde sind so ausgerichtet, daß sie einen Durchlaß bilden, der gerade eine genügende Weite hat, um bei der Trochoidenbewegung die Querschnitte der Rotorflügel aufzunehmen, während die ausgerichteten Fußabstände den Durchgang der Rotorflügel in ihrer Breite gestatten. Da die Rotorflügel sich radial nach außen verbreitern, so daß sie einander radial berühren, verbreitern sie sich auch in einem Längsschnitt der Vorrichtung, wie etwa in Fig.3 gesehen.

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Wegen dieser Verjüngung müssen sich auch die Innenseiten der Gehäuseteile und benachbarten Gewinde verjüngen, um richtig mit den Flügeln kämmen zu können. Im allgemeinen gesehen sind die Gehäuseteile Kegel mit Gewinde und haben, wie ersichtlich, gleiche Konuswinkel. Obwohl es erforderlich ist, daß beide Gehäuseteile dieselbe Richtung der Gewindesteigung in einer Einheit haben, hat jeder Teil, wenn die Teile auseinander genommen werden und mit den Vorderseiten nach oben gelegt werden, ein Schraubengewinde, das sich in der entgegengesetzten Richtung des anderen windet, wie man ersehen kann, wenn man die Draufsicht der Gehäuseteile in Fig.2 mit der nach Fig.4 vergleicht. Wenn bei jedem Gehäuseteil ein einfaches Gewinde verwendet wird, muß es einen Hüllwinkel von 360° haben, um zu den Rotorflügeln zu passen, die einen Hüllwinkel von 180° haben.

Die gesamten geometrischen Beziehungen zwischen den Rotorflügeln und den Gehäuseteilen sind hier wie bei dem zuerst beschriebenen Ausführungsbeispiel, was die Bildung der Taschen zwischen den Rotorflügeln anbelangt, derart, daß ein zwangsläufiges Schließen erreicht wird und keine freie Verbindung durch den Strömungskanal hindurch besteht.

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Der Einlaß der Rotationskolbenmaschinen ist normalerweise eine ringförmige koaxiale Öffnung in einem oder beiden Gehäuseteilen nahe dem Fuß der FlUgel um den Träger, und die Strömung ist radial nach außen zu einer Ringöffnung mit Abstand zwischen den Umfangen der Gehäuseteile· Die erfindungsgemäße Maschine kann entweder als Flüssigkeitspumpe oder als Flüssigkeitsmotor verwendet werden.

Den Fig. 5 und 6 ist zu entnehmen, daß die Gehäuseteil· mit mehr als einer Spiralwindung konstruiert sein können, wenn das gewünscht wird, und die Wirkung besteht darin, daß mehr als eine Durchlaßzone geschaffen und mehr als eine Flügelrotation erreicht werden.

Flg. 7 bis 10 zeigen eine radialflügelige Ausführung einer erfindungsgemäßen Maschine mit einer axialen Durchströmung· Bei diesem besonderen Beispiel werden 12 Rotoren 413 verwendet, deren Achsen radial angeordnet sind, wobei aber die Gehäuseteile 411 und 412 Je drei Gewinde haben. Es ist zu bemerken, daß die Ein- und Auslässe der vorigen Ausführungsform gemäß der Konstruktion durch Anordnung einer rohrförmigen Wand 432 über den Umfang der Gehäuseteile und eine Zwischenverbindung zum Unterbrechen des

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radialen Durchgangs der Strömung verschlossen werden, wobei der Einlaß dadurch abgeschlossen wird, daß der Träger drehend und dichtend beide Gehäuseteile berührt·

Bei der nun beschriebenen Ausführung sind Einlasse 430 in dem ersten Gehäuseteil 411 ausgebildet, während das zweite gegenüberliegende Gehäuseteil 412 gleiche Auslässe an seiner Vorderseite hat«. Diese Öffnungen stellen den je axial gerichteten Einlaß und Auslaß für eine radiale Strömung von Flüssigkeit durch die Maschine dar. Die Einlaßöffnungen 430, die ebenso als Auslaßöffnungen bezeichnet werden könnten, wenn die Maschine in ihrer Drehrichtung umgekehrt wird, sind um 120° versetzt, wobei ihre äußere Kontur die Spitzen der spiralförmigen Gehäusewindungen darstellt, die Innenkontur den Träger und die restliche Seite jeder Öffnung eine umgekehrte Kurve ähnlich einer Rotorflügelkante ist, aber am Träger neben einer spiralförmigen Gehäusewindung beginnt und sich unregelmäßig und radial nach außen fortsetzt und sich an eine benachbarte Gehäusespiralwindung an deren Schnitt mit dem Umfang des Gehäuses anschließt. Die Auslaßöffnungen im gegenüberliegenden Gehäuseteil 412 sind mehr oder weniger gekrümmte, dreieckige Öffnungen wie die Einlaß-

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Öffnungen aber an drei Seiten von den Spitzen der Geh&usewindungen und dem Außenumfang de» Gehäuses gesäumt und haben eine unregelmäßig gekrümmte radiale Seite» die um eine FlUgelbreite außerhalb der Flucht mit der Gegenseite einer zugehörigen Einlaßöffnung sitzt.

Die Einlaßöffnungen sind so gestaltet· daß si· die radial innersten Teile der RotorflUgel freigaben, während dl· Auslaßöffnungen die äußersten Teile der Flügel freigeben.

Die Verwendung einer großen Anzahl von Rotoren» wie z.B. zwölf gegenüber einer Mindestzahl von etwa drei» erlaubt eine etwa gleiche Grüße der Ein- und Aualaßb«reiche, wenn die radiale Verjüngung in Betracht gesogen wird. Kleinere RotorflUgel sind leichter und bieten kein M großes Problem hinsichtlich der Zentrifugalkraft» duroh die die Flügellager belastet werden.

BAD ORIGINAL

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Claims

Ansprüche:

1. Rotationskolbenmaschine mit Kämmeingriff zwischen mindestens zwei um eine Gehäuseachse drehbar angeordneten schraubenförmigen Rotoren und einem Schraubenförmige Innenwandungen aufweisenden stationären Gehäuse und einem um die Gehäuseachse drehbaren Träger, in dem die schraubenförmigen Rotoren drehbar und um die Gehäuseachse umlaufend gelagert sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Schraubenflächen des Gehäuses Hüllflächen für Trochoidenbahnen bilden, die beim Umlauf der Rotoren von den Flügelpunkten der Rotoren beschrieben werden und daß die Drehachsen der Rotoren gegenüber der Längsachse des Gehäuses um einen Winkel geneigt angeordnet sind.

2. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Neigungswinkel der Drehachsen der Rotoren 90° beträgt, und die Einströmöffnung für ein Einströmen parallel zur Gehäuseachse angeordnet ist.

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3. Rotationskolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausströmöffnung für ein Ausströmen parallel zur Gehäuseachse angeordnet ist (Figo 7 - 10).

4. Rotationskolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausströmöffnung für ein Ausströmen in Richtung der Drehachsen der Rotoren angeordnet ist (Fig. 2 und 3) ο

5. Rotationskolbenmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehäusewandungen gegenüber den Drehachsen der Rotoren geneigt und nach der Ausströmöffnung divergierend ausgebildet sind, wobei die Rotoren eine nach außen zunehmende Breite besitzen (Fig.2 und 3)»

6ο Rotationskolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotoren konstante Breite über ihre Länge besitzen.

7. Rotationskolbenmaschine nach einem der vorherigen

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Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die geometrischen Orte der Kanten der Rotoren (3,13) Epitrochoidenkurven sind, welche die in Eingriff kommenden Flächen des ersten und zweiten Gehäuseteils (311, 312) begrenzen.

8. Rotationskolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 ⁱ

bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Jeder Rotor (313) J mindestens zwei Schraubenwindungen aufweist, deren Querschnitt ein dünnes Zweieck mit Konchoidenseiten ergibt.

9ο Rotationskolbenmaschine nach einem der vorherigen | Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das erste ,

j und das zweite Gehäuseteil (311,312) Wirkflächen j

haben, die konisch sind und deren jede mit wenigstens einer Epitrochoidenwindung ausgestaltet ist, deren Spitzen fluchten (Fig.4 - 6).

10. Rotationskolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmige Umfangsöffnung zwischen dem ersten und zweiten Gehäuseteil (411,412) durch eine rohrförmige Trennwand (432) verschlossen ist.

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ο Rotationskolbenmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und zweite Gehäuseteil und die schraubenförmigen Rotoren genUgend schraubenförmige Umhüllung haben, so daß durch die Maschine hindurch keine freie Verbindung besteht.

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