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ROTATIONSKOLBENMASCHINE
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Zusatz zur Patentanmeldung P 25 24 28o.2 Die Hauptpatentnaneldung
umfaßt eine Rotationskolbenmaschine mit zwei sich gegenseitig beaufschlagenden Läuferkolben,
welche in einander überschneidenden achsparallel liegenden, zylinderischen Gehäuseräumen
an einer Rotationsachse umlaufen, wobei die Läuferkolben aus Kreissektoren mit unterschiedlichem
Radius bestehen, welche mit einer Randverzahnung auf den gegebenen Teilkreisen mit
gleichem Modull versehen sind.
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Rotation-kolbenmaschinen dieser Art können als Pumpen, Motoren oder
Verdichter ausgebaut sein.
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Bei der Rotationskolbenmaschine nach der Hauptpatentan-eldung bestehen
durch die unterschiedlichen Durchmesserbereiche der Läuferkolben unterschiedliche
Winkelgeschwindigkeiten bei
der Drehung der Läuferkolben. Bedingt
dadurch können diese Maschinen nur in einem beschränkten Drehzahlbereich laufen
und eignen sich dadurch für Läuferkolben mit großem Durchmesser, weil dabei der
Winkelgeschwindigkeitsunterschied gering ist und kein Höchstdrehzahlenbereich notwendig
ist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine Rotationskolbenmaschine
der eingangs beschriebenen Art, wobei beide Läuferkolben ständig mit gleicher Winkelgeschwindigkeit
umlaufen, bei sicherer Abdichtung der Arbeitsräume gegeneinander und dem Erreichen
kleiner Kompressionsräume im Verhältnis zu den Arbeitsräumen. Eine weitere Erfindungsaufgabe
besteht im Bau von einfachen Pumpen und Motoren.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wurde in der Zusatzpatentanmeldung P 25
52 797.3 vorgeschlagen, daß die Läuferkolben aus Kreissektoren ait drei unterschiedlichen
Radien gebildet sind wobei die Kreissektoren, welche den mittleren Durchmesser bilden,
gegenseitig mit einer Abdichtungszahnung versehen sind und die Kreissektoren mit
dem großen Radius im Bereich des Kreissektors mit dem kleinen Radius am Gegenläufer
durchfahren.
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Die Abdichtungsverzahnung muß bei den vorgeschlagenen Lösungen dabei
für hohe Drehzahlbereiche
als Schrägverzahnung ausgeführt sein1
welche an sich schon und bedingt durch die Läuferkolbenform nur mit größerem Aufwand
hergestellt werden kann.
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Zudem ist bei der Ausführung als Verbrennungsmotor zum Abreiben der
Verbrennungsriickstände, welche sich an den Zahnflanken absetzen, ein erhöhter Kraftbedarf
erforderlich.
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Die Erfindungsaufgabe wird dadurch gelöst, daß zur Abdichtung der
durch unterschiedliche Kreissektoren gebildeten Arbeitsräume wenigstens ein über
einen Drehpunkt schwenkbarer Abdichtungsflügel angeordnet ist. Die Abdichtungszahnung
erübrigt sich dadurch.
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Zweckmäßig ist der Abdichtungsflügel in der Linie des Überschneidungsbereiches
der achsparallel liegenden zylinderischen Gehäuseräume angeordnet und hat an seinem
freien Ende an den zwei Seiten zwei den unterschiedlichen Radien der Läuferkolben
entsprechende Abdichtungsflächen. Der Abdichtungsflügel wird mittels Federn an den
Läuferkolbenflächen angepreßt.
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Die Schwenkbewegungssteuerung des Abdichtungsflügels erfolgt je nach
Ausführung direkt über die Läuferkolben oder über zusätzliche Nockenscheiben, welche
mit Führungszahnrädern gekoppelt sein können.
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Der Abdichtungsflügel ist mit der Schwenkwelle und der Halterung zu
einem kompletten Bauteil
zusammengefaßt, welches ohne Gehäusedemontage
leicht auswechselbar ist.
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In Ausgestaltung der Erfindung können einer oder mehrere Abdichtungsflügel
einem einzelnen Läuferkolben zugeordnet sein.
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Dadurch können einfache, hohen Druck liefernde Pumpen gebaut werden.
Bei Pumpen oder Gasverdichtern wird mit dem schwenkbaren Abdichtungsflügel gleichzeitig
der Auslaßkanal am Ende jeder Förderphase zur Verhinderung des Rückstromes verschlossen
und bei Beginn der Förderphase geöffnet.
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Ebenso ist mit dieser Bauart die Herstellung von rotoren mit einer
Welle möglich, wobei im Läuferkolben eine Kreiskolbenanordnung unterbebracht ist
oder auf gleicher Welle zwei zusammenwirkende Läuferkolben angeordnet sind.
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Ein Läuferkolben bewerkstelligt dabei das Gasansaugen und Verdichten,
im anderen Läuferkolben wird der Arbeits- und Auspufftakt ausgeführt.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Läuferkolben
zur sicheren Abdichtung gegenüber den Gehäuseseitenteilen mit einer durch Temperatureinfluß
selbständig steuerbaren Dehnungsausgleichseinrichtung ausgestattet.
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Dabei ist ein Seitenteil oder der Läuferkolben mittels zweier Ringe,
welche mit Konusflächen zusammenwirken, axial verschiebar.
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Der innen liegende Konusring besteht dabei aus
einem
Material mit einem sehr geringen Ausdehnungskoeffizienten, z.B. Invar oder Porzellan.
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Der äußere Konusring besteht aus einem Material mit einem hohen Ausdehnungskoeffizienten
und verschiebt sich bei Vergrößerung, bedingt durch die Konusfläche bei Temperaturänderung
in axialer Richtung. Die Verschiebungslänge entspricht der temperaturbedingten Breitenänderung
des oder der Läuferkolben und erlaubt eine seitliche Flächenabdichtung der kalten
Maschine, dadurch sind Spaltverluste bei der Kompression verhindert und gute Starteigenschaften
gewährleistet. Für die hier im Wirkungsprinzip gezeigte Dehnungsausgleichseinrichtung
gibt es auch zahlreiche andere technische Möglichkeiten, mit welchen der unterschiedliche
Ausdehnungskoeffizient in eine Axialverschiebung umgewandelt werden kann.
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In Ausgestaltung der Erfindung ist der Gehäusemantel zum Zweck der
Kühlung mit Löchern verschieden großer Bohrung und in verschiedenen Abständen versehen,
dadurch ist bei wirtschaftlicher Herstellungsweise die größte Wärmeabgabeoberfläche
bei gleichzeitig hoher Stabilität des Gehäusemantels gegeben.
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Als besonderer Vorteil und technischer Fortschritt ist zu bewerten,
daß mit dem schwenkbaren Abdichtungsflügel bei sich gegenseitig beaufschlagenden
Läuferkolben in der Anwendung für Motoren-oder Pumpenbetrieb die Arbeitsräume gegeneinander
durch federbelastete, dem unterschiedlichen Radius der Läuferkolben angepaßte Auflageflächen
mit einfachen Mitteln sicher abdichtet werden können.
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Ebenso sind hohe Spaltverluste bei kalter Maschine an den Läuferkolben
durch die selbständige temperaturabhängige Tolleranzsteuerung verhindert.
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Die Läuferkolben rotieren mit gleichmäßiger Winkelgeschwindigkeit
und können mit hoher Drehzahl laufen.
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Die technischen Details der Erfindung sind in der anschließenden Beschreibung
und in den Zeichnungen an Ausführungsbeispielen dargestellt und sind in den Unteransprüchen
gekennzeichnet.
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Die Zeichnungen zeigen in der Fig. 1 einen Rotationskolbenmotor mit
einem schwenkbaren Abdichtungsflügel, den Rdationskolbenmotor im Schnitt mit stirnseitiger
Sicht auf eine Motorenhälfte Fig. 2 einen Abdichtungsflügel als Einbaueinheit in
natürlicher Größe mit angedeuteter Steuerung über Nockenscheiben, welche mit den
Führungszahnrädern gekoppelt sind Fig. 3 einen Rotationskolbenmotor im Arbeitsprinzip
nach der Fig. 1 mit einem einzelnen Läuferkolben Fig. 4 eine Rotationskolbenmaschine
mit einem Läuferkolben und zwei schwenkbaren Abdichtungsflügeln, eine derartige
Maschine kann als Pumpe, Verdichter oder Motor ausgeführt sein Fig. 5 ein Rotationskolbenmotorgehäuse
mit einem Läuferkolben im Schnitt senkrecht entlang der Läuferwelle mit selbstätiger
Dehnungsausgleichseinrichtung
In einem Gehäuse 1o sind in achsparallel
liegenden, zylinderischen Gehäuseräumen 11, 12 zwei Läuferkolben 13, 14 untergebracht,
welche wie bekannt durch Führungszahnräder mit-einander gekoppelt sind.
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Die Läuferkolben i3, 14 bestehen aus Kreissektoren mit unterschiedlichem
Radius, wobei beim Drehen der Läuferkolben die Kreissektoren mit dem großen Radius
15 beim Kreissektor mit dem kleinen Radius 16 jeweils am Gegenläuferkolben ineinandergreifen.
Dabei werden sich im Rauminhalt ändernde Kammern gebildet, welche als Arbeitsräume
zum Betrieb als Pumpen, Verdichter oder Motoren verwendet werden können.
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Die Abdichtung der Arbeitsräume gegeneinander erfolgt über einen an
einem Drehpunkt 17 schwenkbaren Abdichtungsflügel 18, welcher an seinem freinen
Ende beiderseitig mit den Radien der unterschiedlichen Kreissektoren 15, 16 übereinstimmenden
Auflageflächen 19 und 20 versehen ist. Mit Spiraldruckfedern 21 wird der Abdichtungsflügel
18 mit seinen Auflageflächen am Mantel der Läuferkolben angepreßt.
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Mittels seitlicher Halterungen 22 ist der Abdichtungsflügel 18 unter
Beibehaltung eines Spielraumes 23 in der Ausfräsung 24 einer Schwenkwelle 25 eingeschoben.
Die den Drehpunkt 17 bildende Schwenkwelle 25 kann über gestrichelt dargestellte
Nockenscheiben 26 und 27, welche zweckmäßig mit den Führungszahnrädern verbunden
sind, und eine Rolle 28 geführt, beim Wechsel der Kreissektoren geschwenkt und somit
der Abdichtungsflügel 18 umgestellt werden.
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Das Schwenken des Abdichtunsflügels 18 kann auch unmittelbar über
die Läuferkolben erfolgen, wobei die Übergangskonturen 29 der unterschiedlichen
Kreissektoren entsprechend ausgebildet sein müssen.
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Der gezeigte bei der Drehrichtung 3o des Läuferkolbens 13 den Abdichtungsflügel
wegschiebende Übergang 29 hat einen flachen Verlauf. Die Ausbildung der Übergansflächen
ist 80 gestaltet, daß die Abdichtung bem Wechsel nicht unterbrochen wird.
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Der Drehpunkt 17 des Abdichtungsflügels 18 ist vorteilhaft in der
Linie des Liberschneidungsbereiches der beiden achsparallel liegenden Gehäuseräume
11, 12 angeordnet, dadurch wirken ständig zwei der vier Auflageflächen als Dichtflächen.
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Der Abdichtungsflügel 18 wird durch die Dnhrichtung 30 der Läuferkolben
entgegen dem Druck der Spiralfedern 21 zum Drehpunkt geschoben und über dem Verschiebungsspielraum
23 in Auflage gehalten.
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Zweckmäßig ist der Abdichtungsflügel 18 mit der Schwenkwelle 25 und
einem Halterungsdeckel 31 zu einem Bauteil zusammengefaßt, wodurch der Abdichtungsflügel,
welcher einem gewissen Verschleiß unterliegt, ohne Gehäusedemontage einfach ausgewechselt
werden kann.
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Am BeispielinaceR der der Hauptpatentanmeldung bekannten Arbeitsprinzips
eines Rotationskolbenmotors ist in der Fig. 1 die Funktion des Abdichtungsflügels
gezeigt.
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Die mittels Führungszahnräder gekoppelten Läuferkolben werden mit
gleichmäßiger Winkelgeschwindigkeit gedreht, wobei die im Inneren der Läuferkolben
untergebrachten Kolben 32 bei fast kreisender Bewegung über einen exzentrischen
Drehpunkt 33 und einer Kulissenführung 34 in den Zylindern 35 eine Hubbewegung ausführen.
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Im Drehbereich der Zylinder 35 saugen die Kolben 32 über eine Bohrung
36 aus einem seitlichen Einlaßschlitz Gemisch an. Im weiteren Drehbereich verdichten
die Kolben 32 das angesaugte Gemisch und kompressieren dieses über eine Bohrung
37 in ebenfalls stirnseitig angebrachten Brennkammern 38.
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In der Fig. 1 ist dieser Vorgang dargestellt, dabei ist eine Brennkammer
38 a durch den Kreissektor mit dem großen Radius geschlossen. Bedingt durch die
Stellung des Abdichtungsflügels. 18,der im Läuferkolben 14 am Mantel des Kreissektors
mit dem kleinen Radius 16 und am anderen Läuferkolben am Kreissektor mit dem großen
Radius 15 über entsprechend ausgebildete Auflageflächen 19, 20 anliegt, hat der
äußere Arbeitsraum sein kleinstes Kammervolumen 39.
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Durch die Flanke 40 des Kreissektors wird die Brennkammer 38 a im
Drehfortgang geöffnet und der Läuferkolben durch das explodierende Gemisch gedreht,
bis der Arbeitsraum sein größtes Kammervolumen erreicht, wie Arbeitsraum 4i am Läuferkolben
13.
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Anschließend wird der Abdichtungsflügel 18 geschwenkt und der Ablauf
erfolgt sinngemäß am anderen Läuferkolben. Im weiteren Drehfortgang werden die Arbeitsräume
41 am Auspuff 42 entleert.
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Je Umdrehung des Läuferkolbenpaares erfolgen vier Arbeitstakte.
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Durch den Abdichtungsflügel 18 wird außer der guten und einfachen
Abdichtung der Arbeitsräume gegeneinander auch die Bildung von kleinen Kammervolumen
39 erreicht, welche für einen wirtschaftlichen Betrieb
eines Motors
unerläßlich sind.
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Wie in der Fig. 3 gezeigt ist, kann ein derartiger Rotationskolbenmotor
auch aus einem einzelnen Läuferkolben 43 gebildet sein.
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Am dabei über eine Nockenscheibe 44 gesteuerten Abdichtngsflügel 45
sind dabei nur an einer Seite der unterschiedlichen Radien des Läuferkolbens entsprechende
Abdichtungsflächen erforderlich. Der Abdichtungsflügel 45 muß in einer Gehäuseausnehmung
46 dem großen Radius des Läuferkolbens 43 ausweichen können.
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Im besonderen zum Betrieb als Pumpe oder eines Luft- oder Gasverdichters
kann eine Rotationskolbenmaschine auch, wie in der Fig. 4 dargestellt ist, mit zwei
erfindungsgemaßen Abdichtungsfliigeln 47 je Läuferkolben 48 ausgerüstet sein.
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Die über eine Nockenscheibe gesteuerten Abdichtungsflügel 47 trennen
dabei die Arbeitsräume 49 des Läuferkolbens 48 in einen Saugbereich 50 und einen
Druckbereich 51. Die beim Drehen sich im Volumen vergrößerarien Saugbereiche haben
stirnseitige Einlaßöffnungen 52 und die sich dabei konthuierlich verkleinernden
Druckbereiche 51 haben gehäusestirnseitig im Bereich der Gehäusemantelausnehmungen
53 für die Abdichtungsflügel 47 Auslaßöffnungen 54.
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Das in einem Arbeitsraum 49 eines Ansaugbereiches 50 aufgenommene
Medium wird im Drehfortgang zum Druckbereich 51 gefördert und ausgeschoben.
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Beim Schwenken der Abdichtungsflügel 47 werden durch diese gleichzeitig
die Auslaßöffnungen 54 zur Verhinderung eines Rückstromes verschlossen.
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Eine derartige Rotationskolbeneinheit kann auch als Motor laufen.
Dabei dient der Bereich 50 der Arbeitsräume 49 als Dekompressionsraum und dreht
den Läuferkolben 48. Die Bereiche 51 dienen als Auspuffbereiche.
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Auf einer gemeinsamen Achse 55 können auch als Verbrennungsmotor je
zwei Läuferkolben 48 zusammenwirken, ein Läuferkolben arbeitet dabei wie schon beschrieben
als Ansaug- und Verdichtereinheit. Der über eine Gehäusestiruwand davon räumlich
getrennte zweite Läuferkolben arbeitet als Motoreinheit.
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Ein Verbindungskanal in der Gehäusestirnwand, welcher in der Verdichtereinheit
als Auslaßöffnung 54 und in der Motoreinheit als Einfaßöffnung 52 mündet, dient
dabei als Brennkammer, deren Öffnungssteuerung über die Sektorenflanken der Läuferkolben
erfolgt.
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Bei Läuferkolben von Rotationskolbenmotoren muß für die temperaturbedingte
Ausdehnung der Läuferkolben beim Betrieb des Motores im umschließenden Gehäuse ein
Ausdehnungsraum vorgesehen sein. Der zwar nur geringe Raum läßt aber bei kaltem
Motor keine Flächendichtung an stirnseitigen Gehäuseflächen zu. Bei kalter Maschine
entstehen dadurch zwischen dem Brennraum und dem Läuferkolben bei der Kompression
unerwiinschte Spaltverlusts welche das Starten des Motores erschweren.
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Mit der in der Fig. 5 dargestellten Einrichtung können diese Spaltverluste
verhindert werden.
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In der in axialer Richtung senkrecht geschnittenen Gehäusehälfte 60
befindet sich ein an den Gehäuseseitenflächen 61 und 61 a anliegender Läuferkolben
62 mit im Innenraum (auf der Zeichnung nicht sichtbar) angeordneten Ansaug- und
Verdichterkolben.
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Die am Läuferkolben 62 anliegende Seitenfläche 61 a ist in axial er
Richtung bei temperaturbedinger Verbreiterung des Läuferkolbens 62 verschiebbar.
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Zum Gehäusemantel hin ist die verschiare Seitenfläche 61 a mit herkömmlichen
Kolbenringen 63 abgedichtet.
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Die Steuerung der Verschiebbarkeit der Seitenfläche 61 a erfolgt durch
mit zwei Konusflächen 64 und 65 versehenen Distanzringen 66 und 67, welche aus Material
mit einem unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten hergestellt sind.
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Der innere Ring 66 besteht aus Material mit einem sehr niedrigen Ausdehnungskoefizieten,
z.B. Invar oder Porzellan. Der äußere Ring 67 besteht aus einer Aluminiumlegierung
mit einem hohen Ausdehnungskoefizienten und ist mit der Seitenfläche 61 a verbunden.
Bei der durch den Motorbetrieb bedingten Temperaturerhöhung der Seitenfläche 6i
a weitet sich der Aussenring 67 und läßt
bedingt durch die Konusauflage eine axiale Verschiebung der Seitenfläche 61 a in
dem Ausmaß zu, wie sich der Kolben 62 seitlich ausdehnt
Bei der
Abkühlung efolgt die Verschiebung entgegengesetzt.
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Zum Zweck der Gehausemantelkühlung ist, wie aus der Fig. 2 ersichtlich,
der Gehäusemantel mit Bohrungen 70 von unterschiedlicher Größe versehen, welche
in unterschiedlichen Abständen angeordnet sind. Durch die Bohrungen kann im Vergleich
zu langen, radial abstehenden Kiihlrippen eine größere Wärmeabgnbeoberflache bei
gleichzeitig größerer Stabilität des Gehäusemantels erreicht werden0 ueber zusätzlich
an der Oberfläche angebrachte Kühlrippen kann die Wärmeabgabe noch erhöht werden.