DE2220454A1

DE2220454A1 - Heißgaskolbenmaschine mit einem Kompressor

Info

Publication number: DE2220454A1
Application number: DE19722220454
Authority: DE
Inventors: Jacobus Hubertus Eindhoven Abrahams (Niederlande)
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1971-05-04
Filing date: 1972-04-26
Publication date: 1972-11-16
Also published as: CA958546A; GB1392843A; JPS5249098B1; NL7106039A; IT954948B; US3793836A; NL161233B; FR2135630A1; DE2220454B2; SE370759B; NL161233C; FR2135630B1; DE2220454C3

Description

. lhihtrr f.,·.¹,. J,

Anmrttor: N. V. Philips' GloeILmpenfabrieken
Akte No^ PHH- 5568

Anmeldung vomi 25· April 1972

Heissgaskolbenmaschine mit einem Kompressor«

Die Erfindung betrifft eine Heissgaskolbenmaschine mit einem Arbeitsraum, in dem ein Medium einen thermodynamischen Kreislauf durchläuft und dessen Volumen durch mit Phasenunterschied hin und her bewegbare kolbenförmige Körper geändert werden kann, wobei die eine Oberfläche wenigstens eines kolbenförmigen Körpers das Volumen des Arbeitsraums und die andere Oberfläche das Volumen eines Pufferraums beeinflusst, in dem ein mittlerer Mediumdruck herrscht, der zumindest nahezu gleich dem mittleren Mediumdruck im Arbeitsraum ist, und welcher kolbenförmige Körper über eine durch eine Wand des Pufferraums geführte Kolbenstange mit einem Getriebe verbunden ist, wobei die Maschine mit einem Kompressor zum Pressen von Medium aus den erwähnten Räumen in einen Hochdruckmediumspeicherbehälter

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versehen ist, und welcher Kompressor ein sich an den Pufferraum anschliessendes Einlassventil sowie ein über eine Abfuhr an den Speicherbehälter anschliessbares Auelassventil aufweist.

Eine Heissgaskolbenmaschine dieser Art ist aus der U.S.Patentschrift 3.372.539 bekannt. Der Kompressor bildet hierbei einen Teil einer Leistungsregelanordnung. Zur Regelung der Maschinenleistung wird der mittlere Mediumdruckpegel im Arbeitsraum der Maschine dadurch geändert, dass diesem Raum Medium entzogen bzw. zugeführt wird. Beim Mediumentzug presst der Kompressor dieses Medium in einen Hochdruckspeicherbehälter,

Durch die Anwesenheit des mit Medium gefüllten Pufferraums werden die durch das Medium im Arbeitsraum auf den kolbenförmigen Körper ausgeübten hohen Druckkräfte ausgeglichen, und die Stangenkräfte sind im Getriebe vernal tnismäs si g klein, so dass dieses Getriebe verhältnismässig leicht konstruiert werden kann, während im Kurbelkasten ein niedriger Druck herrschen kann, so dass die Wände dieses Kastens gleichfalls verhältnismässig leicht ausgeführt sein können.

Unter Heissgaskolbenmaschinen sind im Rahmen der vorliegenden Anmeldung Heissgaskolbenmotoren, Gaskältemaschinen und Wärmepumpen zu verstehen. Im Arbeitsraum dieser Maschinen wird das Medium abwechselnd komprimiert, wenn es sich im wesentlichen in einem Teilraum des Arbeitsraums, dem Kompressionsraum, befindet, danach wird ea über einen Regenerator zu einem Teilraum, dem Expansionsraum,

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transportiert, danach, wenn sich das Medium im wesentlichen im Expansionsraum befindet, wird es expandiert und schliesslich über den Regenerator wieder zum Kompressionsraum zurticktransportiert, womit der Zyklus beendet ist. Der Kompressions- und Expansionsraum haben dabei im Betrieb unterschiedliche Temperaturen. In konstruktiver Hinsicht sind die Heissgaskolbenmaschinen in Heissgaskolbenmaschinen vom Verdrängertyp (britische Patentschrift 1.024.274) und in Heissgaskolbenmaschinen des Zweikolbentyps (britische Patentschrift 1.053.896) einzuteilen. Bei Heissgaskolbenmaschinen vom Verdrängertyp sorgt ein Kolben für die abwechselnde Kompression und Expansion des Mediums im Arbeitsraum, während ein Verdränger fUr den Transport des Mediums vom Kompressions- zum Expansionsraum und zurück sorgt. Der Verdränger kann dabei mit einem Getriebe verbunden, oder mechanisch nicht gekoppelt sein und als freier Verdränger durch Mediumdruckkräfte hin und her bewegt werden.

Bei Heissgaskolbenmaschinen vom Zweikolbentyp sind sowohl ein Kompressionskolben als auch ein Expansionskolben vorhanden, die in Zusammenarbeit für die erwünschte Kompression, den Transport und die Expansion des Mediums sorgen.

Bei der aus der U. S. Pat ent schrot 3.372,539 bekannten Heissgaskolbenmaschine ist der Kompressor als Teil der Leistungsregelung gesondert vorhanden. Dies ist mit einigen Nachteilen verbunden*' Erstens ist das Geftiga der Heissgaskolbenmaschine mit der Leistungsregölanordnung-■

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ziemlich umfangreich. Dies ist vor allem bei solchen Anwendungen nachteilig, bei denen der verfügbare Raum minimal ist, wie beispielsweise in den Fällen, in denen die Heissgaskolbenmaschine ein Heissgasmotor ist, der als Kraftquelle in Fahrzeugen, Flugzeugen, U-Boten angewendet wird, oder in denen es sich um Gaskältemaschinen handelt, die an Bord von beispielsweise Flugzeugen angewendet werden. Es sind für den Antrieb des Kompressors besondere Vorrichtungen erförderlich: bei Heissgasmotoren ein gesonderter Antrieb ausserhalb des Motors bzw. eine besondere Kopplung mit einer Welle des Motors; bei Gaskältemaschinen, bei denen als Antrieb oftmals ein Elektromotor im Kurbelkasten der Maschine vorgesehen ist, ein gesonderter Antrieb.

Uebliche Kompressoren weisen ferner den Nachteil auf, dass häufig ein Weglecken von Schmieröl vom Gehäuse zum Arbeitsraum des Kompressors auftritt. Dieses Schmieröl wird durch ein komprimiertes Medium mitgeführt, wodurch eine Verunreinigung des Leitungssystems, des Speicherbehälters und der Maschine stattfindet. Insbesondere wenn OeI in den Regenerator der Maschine gelangt, hat dies eine verheerende Auswirkung auf den Wirkungsgrad der" Maschine«

Schliesslich macht die Anwesenheit eines gesonderten Kompressors mit besonderen Antriebsvorrichtungen die Anlage verhältnismSssig teuer*

Die vorliegende Erfindung bezweckt, eine Heissgaskolbeizsnaschine zu schaffen, bei der die erwähnten

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Nachteile beseitigt sind. Um das angestrebte Ziel zu verwirklichen, weist die erfindungsgemässe Heissgaskolbenmaschine das Kennzeichen auf, dass der Mediumkompressor einen integralen Teil der Maschine bildet, wobei innerhalb des Pufferraums wenigstens ein Kompressionselemeni? vorhanden ist, das mit dem den Pufferraum begrenzenden kolbenförmigen Körper oder mit der zugehörigen Kolbenstange verbunden ist, und das das Volumen eines Kompressionsraums ändern kann, wobei zwischen den zusammenwirkenden Wandteilen des Kompressionselements und des Kompressionsraums wenigstens ein Kolbenring als Einlassventil vorhanden ist, der in einer Nut in der Wand des Kompressionselements oder des Kompressionsraums vorhanden ist, und wobei stets eine.offene Verbindung zwischen dem Kompressionsraum und dem Raum in der Nut hinter dem Kolbenring besteht, wobei das sich an den Kompressionsraum anschliessende Auslassventil in der Wand des Kompressionsraums vorgesehen und die Abfuhr durch eine Wand des Pufferraums hindurch nach aussen geleitet ist.

Da der Kompressor nun einen integralen Teil der Heissgaskolbenmaschine bildet, ist eine gedrängte und verhältnismässig preisgünstige Gesamtheit erhalten und eine Quelle von Oelleckage zum Arbeitsmedium vermieden worden. Solches ISsst sich konstruktiv einfach ausführen. Ein gesonderter Antrieb des Kompressors ist nicht länger erforderlich.

Da das Einlassventil als Kolbenring ausgeführt ist, ist der schädliche Raum, den Einlassventile normalerweise

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mit sich bringen, im vorliegenden Fall minimal, und es wird ein verhältnismässig grosses'Kompressionsverhältnis des integralen Kompressors erzielt.

Die Erfindung wird anhand einiger in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 und 2 Schnitte durch Heissgasmotoren vom Verdrängertyp,

Fig. 3 und k Schnitte durch Gaskältemaschinen vom Zweikolbentyp,

In Fig. 1 ist mit der Bezugsziffer 1 ein Zylinder bezeichnet, in dem sich ein Kolben 2 und ein Verdränger mit Phasenunterschied hin und her bewegen können. Der Kolben ändert dabei mit seiner oberen Fläche das Volumen eines Arbeitsraums, der aus zwei Teilräumen besteht, nämlich einem zwischen dem Kolben 2 und dem Verdränger 3 liegenden Kompressionsraum h_t und aus einem Expansionsraum 5» dessen Volumen durch die obere Fläche des Verdrängers geändert wird. Diese beiden Räume stehen über einen Kühler 6, einen Regenerator 7 und einen Erhitzer 8 miteinander in Verbindung.

Der Arbeitsraum ist mit einem Medium, wie beispielsweise Wasserstoff oder Helium gefüllt, das im Arbeitsraum einen thermodynamischen Kreislauf durchläuft. Diesem Meditun kann von aussen her von einem Brenner 9 herrührende Wärme zugeführt werden. Der Kolben 2 ändert mit seiner unteren Fläche das Volumen eines zwischen dem Kompressionsraum h und einem Kurbelkasten 11 liegenden

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Pufferraums 10. Der Pufferraum 10 ist mit dem gleichen Medium mit demselben Druck wie das des Arbeitsraums gefüllt, so dass die durch das Medium im Kompressionsraum h auf die obere Fläche des Kolbens 2 im Mittel ausgeübten Druckkräfte nahezu durch diejenigen mittleren Druckkräfte ausgeglichen werden, die durch das Medium im Pufferraum, 10 auf die untere Fläche des Kolbens 2 ausgeübt werden.

Ueber den engen Spalt 12 zwischen dem Zylinder 1 und dem Kolben 2 kann Medium vom Kompressionsraum k zum Pufferraum 10 strömen, wenn der Druckpegel im Pufferraum herabgesetzt wird. Der Kolben 2 ist über eine durch die Wand 15 des Pufferraums 10 gasdicht hindurchgeführte hohle Kolbenstange 1h mit einem nicht dargestellten innerhalb des Kurbelkastens 11 angeordneten Getriebe verbunden.

Der Verdränger 3 ist über eine Verdrängerstange 16 , die gasdicht durch den Kolben 2 und die hohle Kolbenstange Ik geführt wird, gleichfalls am Getriebe befestigt. Innerhalb des Pufferraums 10 befindet sich ein ringförmiger Tauchkolben 17 als Kompressionselement, der über ein Verbindungselement 18 an der Kolbenstange lh befestigt ist. Der ringförmige Tauchkolben 17 ändert beim Hin- und Herbewegen der Kolbenstange Ik das Volumen eines ringförmigen Kompressionsraums 19» der hier durch eine Ausnehmung in der Wand 15 des Pufferraums 10 gebildet wird.

Zwischen den zusammenwirkenden Wandteilen des Tauchkolbens 17 und des Kompressionsraums 19 befinden sich zwei als Einlassventile für desi KoKipressioneraiim dienende Kolbenringe 20 und 21_e die in den Nuten 22 und 23

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in der Aussen- bzw. Innenwand des Tauchkolbens 17 vorhanden sind. Die Kolbenringe sind an ihrer unteren Seite mit radial verlaufende Nuten 20' bzw. 21' versehen, wodurch stets eine offene Verbindung zwischen dem Kompressionsraum 19 und den Räumen in den Nuten 22 und 23 hinter den Kolbenringen besteht. Diese offene Verbindung kann auch andersartig verwirklicht werden, beispielsweise dadurch, dass die Nuten 22 und 23 statt der Kolbenringe 20 und 21 an ihren unteren Flachen mit radial verlaufenden Nuten versehen werden, oder dass Bohrungen im Tauchkolben 17 angebracht werden, die von den Räumen in den Nuten hinter den Kolbenringen zum Kompressionsraum 19 verlaufen. Der Kompressionsraum 19 ist mit einem Auslassventil 24 versehen, das über eine durch die Wand des Pufferraums nach aussen geführte Abfuhr 25 an einen nicht dargestellten Speicherbehalter für Hochdruckmedium anschliessbar ist.

Im Betrieb des Heissgasmotors bewegt sich der ringförmige Tauchkolben 17 mit der Kolbenstange lh bzw. dem Kolben 2 mit. Bei emporsteigendem Tauchkolben, wenn der Druck im Kompressionsraum 19 niedriger als im Pufferraum 10 ist, liegen die mit radialen Nuten versehenen Seiten der Kolbenringe 20 und 21 an den unteren Flächen der Nuten 22 und 23 an, sie bilden hiermit jedoch keine Abdichtungen, Es wird nun Medium vom Pufferraum 10 aus in den Kompressionsraum 19 gesaugt.

Nachdem der Tauchkolben 17 seine,obere tote Stellung passiert hat und sich wieder abwärts bewegt, liegen die Unterseiten der Kolbenringe 20 und 21 an den

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Oberseiten der Nuten 22 und 23 an, wenn der Druck im Kompressionsraum 19 grosser als im Pufferraum ΐΟ wird, und es entsteht eine gute Abdichtung, so dass das im Kompressionsraum 19 vorhandene Medium nicht zum Pufferraum 10 zurückströmen kann.

Das Medium im Kompressionsraum 19 wird danach komprimiert, und es verlässt diesen Raum über das Auslassventil 24, das sich öffnet, wenn der Druck im Kompressionsraum 19 den durch die Auslassventilfeder tind durch das Medium in der*Abfuhr 28 ausgeübten Druck überschreitet.

Soll die vom Motor gelieferte Leistung verringert werden, so wird das Medium vom Kompressionsraum 10 aus über die Abfuhr 25 in einen Hochdruckmediumspeicherbehälter gepresst. Unter Beibehaltung einer bestimmten Motorleistung kann das durch den Tauchkolben 17 aus dem Motor gepresste Medium über eine Rückführungsleitung wieder unmittelbar zum Pufferraum 10 oder den Arbeitsraum (Kompressionsraum 4) zurückgeführt werden.

In Fig. 2 sind für Fig. 1 entsprechende Einzelteile dieselben Bezugsziffern verwendet. Der Kompressionsraum 19 wird hier durch die Kolbenstange 14 und ein Gehäuse 30 begrenzt. Das Volumen des Kompressionsraums wird durch einen als Kompressionselement an der Kolbenstange 14 befestigten Flansch 31 geändert. Es sind zwei wiederum als Einlassventil wirksame Kolbenringe 32 und 3^ vorhanden. Der Kolbenring 32 befindet sich in einer Nut in der Wand des Flansches 31t während sich der Kolbenring in einer Nut 35 in der Wand des Gehäuses 30 befindet.

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Die beiden Kolbenringe 32 und 33 sind an ihren dem Kompressionsraum 19 zugekehrten Seiten mit radial verlaufenden Nuten versehen, die wiederum dafür sorgen, dass stets eine offene Verbindung zwischen dem Kompressionsraum 19 und dem Raum in den Nuten 3^ und 35 hinter dem Kolbenring 32 bzw. 33 besteht.

Zwischen der Kolbenstange 1^· und der Verdrängerstange 16 ist eine Rollmembran 36 als Abdichtung vorhanden, die .den Arbeitsraum vom Kurbelkasten 11 trennt, während zwischen dem Gehäuse 30 und der Kolbenstange \k eine den Pufferraum 10 vom Kurbelkasten 11 trennende Rollmembran 37 vorhanden ist»

Es kann nun Medium vom Pufferraum 10 zum Kolbenring 33 über eine Bohrung 38 in der Wand des Gehäuses 30 strömen.

Bei der Auswärtsbewegung der Kolbenstange 14 mit einem niedrigeren Druck im Kompressionsraum 19 als im Pufferraum 10 liegt der Kolbenring 32 mit ihrer mit radialen Nuten versehenen Unterseite an der unteren Fläche der Nut 3^ an, während der Kolbenring 33 mit ihrer mit radialen Nuten versehenen Oberseite an der oberen Fläche der Nut 35 anliegt, so dass Medium aus dem Pufferraum 10 über die Nuten 3^ und 35 bzw. die Kolbenringe 32 und 33 frei zum Kompressionsraum I9 strömen kann. Bei der Abwärtsbewegung der Kolbenstange "\h wird das Medium im Kompressionsraum 19 durch den Flansch 31 komprimiert. Sobald der Druck im Korapressionsraum 19 grosser als im Pufferraum 10 ist, kommt der Kolbenring 31 mit seiner Oberseite an der

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oberen Fläche der Nut 34 zu liegen, und es entsteht eine gute Abdichtung, Ebenso wird der Kolbenring 33 mit seiner Unterseite an der unteren Fläche der Nut 35 liegen, und so wird auch hier eine gute Abdichtung hergestellt. Das Medium kann dann nicht mehr zum Pufferraum 10 zurückströmen, und es wird weiterhin komprimiert, bis sich das Auslassventil Zk öffnet.

Die in Fig. 3 dargestellte Gaskältemaschine besitzt einen Zylinder 41, in dem ein Kompressionskolben und ein Expansionskolben 43 mit Phasenunterschied hin und her bewegbar sind. Zwischen den beiden Kolben sind ein Kühler 44, ein Regenerator 45 und ein Gefrierer 46 angeordnet, durch die hindurch Medium von einem Kompressionsraum 47 zu einem Expansionsraum 48 und zurück strömen kann. Es sind zwei Pufferräume 49 und 50 vorhanden, in denen ein mittlerer Mediumdruck herrscht, der gleich dem mittleren Mediumdruck im Arbeitsraum ist.

Der Kolben 42 ist über eine durch die Wand 52 des Pufferraums 50 nach aussen geführte Kolbenstange 51 mit einem nicht dargestellten Getriebe verbunden. Zwischen dieser Wand und der Kolbenstange ist eine Rollmembran 53 als Abdichtung vorhanden. Der Kolben 42 trägt an seiner Unterseite zwei Tauchkolben 54 mit den Tauchkolbenstangen Die Tauchkolben können das Volumen zweier Kompressionsräume 56 innerhalb zweier zylindrischer Buchsen 57 ο die an der Wand 52 des Pufferrauffls 50 befestigt sind, ändern. Die beiden Korapressionsränme 56 schliessen sich an einen gemeinsamen Kanal 58 an, der sich über das Auslassventil

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an die Abfuhr 60 anschliesst.

In den Nuten 61 in den Wänden der Tauchkolben 5h befinden sich die Kolbenringe 62 als Einlassventile. Auch hier sind die Kolbenringe an ihren den Kompressionsräumen zugekehrten Seiten· mit radial verlaufenden Nuten versehen. Die Wirkungsweise des integralen Kompressors der Gaskältemaschine ist gleich derjenigen der Heissgasmotoren nach Fig. 1 und 2, so dass sich eine weitere Beschreibung erübrigt.

Bei der in Fig. h dargestellten Gaskältemaschine sind die der Maschine nach Fig. 3 entsprechenden Einzelteile mit denselben Bezugsziffern versehen.

Auf entsprechende Weise wie beim Heissgasmotor nach Fig. 2 ist im vorliegenden Fall die Kolbenstange 51 mit einem Flansch 61 versehen, der das Volumen des Kompressions raums 62 innerhalb des Rohrs 63 ändern kann. Auch hier sind wieder zwei Kolbenringe 6h und 65 als Einlassventile vorhanden, wobei der Kolbenring 6h in einer Nut in der Wand des Flansches 61 und der Kolbenring 65 in einer Nut in der Wand des Gehäuses 63 vorhanden ist.

Der Kolbenring 6h ist an der Unterseite und der Kolbenring 65 an der Oberseite mit radial verlaufenden Nuten versehen. Das Medium kann über die Bohrung 66 in der Wand des Gehäuses 63 vom Pufferraum 50 zum Kolbenring 65 strömen. Im übrigen ist die Wirkungsweise dieses integralen Kompressors gleich derjenigen nach Fig. 2, so dass sich eine Beschreibung erübrigt.

Selbstverständlich sind sich allerhand andere Ausführungsformen des integralen Kompressors gleich,

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Ausserdem kann bei den GaskSItomaschinen nach Fig. 3 und 4 gewünschtenfalls auch ein integraler Kompressor im Pufferraum k9 aufgenommen sein.

Bei den dargestellten Ausführungsformen saugt der integrale Kompressor stets Medium unmittelbar aus dem Pufferraum an. Selbstverständlich ist es auch möglich, dass der Kompressor Medium unmittelbar aus dem Arbeitsraum ansaugt. Dies kann beispielsweise dadurch stattfinden, dass an die Einlasseite des Kompressors eine mit · dem Arbeitsraum verbundene Leitung angeschlossen wird.

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Claims

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PATENTANSPRUCH t ·

Heissgaskolbenmaschine mit einem Arbeitsraum, in dem ein Medium einen thermodynamisehen Kreislauf durchläuft und dessen Volumen durch mit Phasenunterschied hin und her bewegbare kolbenförmige Körper geändert werden kann, wobei die eine Oberfläche wenigstens eines kolbenförmigen Körpers das Volumen des Arbeitsraums, und die andere Oberfläche das Volumen eines Pufferraums beeinflusst, in dem ein mittlerer Mediumdruck herrscht, der zumindest nahezu gleich dem mittleren Mediumdruck im Arbeitsraum ist, und welcher kolbenförmige Körper über eine durch eine Wand des Pufferraums geführte Kolbenstange mit einem Getriebe verbunden ist, wobei die Maschine zum Pressen von Medium aus den erwähnten Räumen in einen Hochdruckmediumspeicherbehälter mit einem Kompressor versehen ist, der ein sich an den Pufferraum anschliessendes Einlassventil sowie ein Auslassventil aufweist, das über eine Abfuhr an den Speicherbehälter anschliessbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Mediumkompressor einen integralen Teil dar Maschine bildet, wobei innerhalb des Pufferraums zumindest ein Kompressionselement vorhanden ist, das mit dem den Pufferraum begrenzenden kolbenförmigen Körper oder mit der zugehörigen Kolbenstange verbunden ist, welches Element das Volumen eines Kompressionsraums ändern kann, wobei zwischen den zusammenwirkenden Wandteilen des Kompressionselements und des Kompressionsraums wenigstens ein Kolbenring als Einlassventil vorhanden ist, die in einer Nut

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in der Wand des Kompressionselements oder des Kompressionsraums vorhanden ist, und wobei stets eine offene Verbindung zwischen dem Kompressionsraum und dem Raum in der Nut hinter dem Kolbenring besteht, wobei das sich an den Kompressionsraum anschliessende Auslassventil in der Wand des Kompressionsraums vorgesehen und die Abfuhr durch eine Wand des Pufferraums nach aussen geführt ist.

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