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Die
Erfindung betrifft ein Ventilelement insbesondere für einen
Kältemittelkreislauf,
welches auf einer ersten Seite mit einem einen veränderlichen Druck
aufweisenden Fluid beaufschlagbar ist.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Ventilelement der eingangs genannten Art
bereit zu stellen, mit dem der Druck des Fluids ausgangsseitig des Ventilelements
vergleichmäßigt werden
kann.
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Die
Aufgabe wird durch ein Ventilelement mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
Dabei umfasst das Ventilelement ein Lagerelement, auf dem eine Scheibe
positioniert ist, die vom Lagerelement zumindest auf einer zweiten
Seite im Bereich einer ersten Auflagefläche abgestützt wird und die in Abhängigkeit
vom Druck des Fluids elastisch verformbar ausgeführt ist, und ein Durchflusselement,
dem ein Spalt zugeordnet ist, dessen durchströmbarer Querschnitt in Abhängigkeit
von der Form der Scheibe veränderbar
ist. Das Ventilelement ist bevorzugt einem Hubkolbenkompressor zugeordnet,
auf dessen Druckseite prinzipbedingt stärkere Druckschwankungen im
vom Kompressor geförderten
Fluid vorliegen. Das Steuerungsverhalten des Ventilelements ist
bevorzugt so eingestellt, dass bei Druckspitzen der durchströmbare Querschnitt
des Ventilelements reduziert ist, wobei die Veränderung des durchströmbaren Querschnitts
durch eine Druckschwankung des Fluids selbst bewirkt wird. Somit
ergibt sich ein sich selbst einstellendes Ventilelement, welches
bei vergleichsweise geringer Drosselwirkung und geringem Bauraum
eine effektive Vergleichmäßigung von
Druck und Massenstrom des Fluids erreicht.
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In
Ausgestaltung der Erfindung ist die Scheibe kreisringförmig ausgebildet
und weist eine Bohrung auf. Dadurch ergibt sich eine einfach herstellbare,
vergleichsweise formstabile Ausführung
der Scheibe, die auch auf besonders starke Druckschwankungen anpassbar
ist.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Scheibe in einem von
einem äußeren Rand
beabstandeten, innenliegenden Auflagebereich derart abgestützt, dass
sich der Auflagebereich mit der Verformung der Scheibe ändert. Auf
diese Weise ist ein sich versteifendes Federungsverhalten der Scheibe zu
erzielen.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist das Lagerelement eine
Auflagefläche
mit einer konvex gewölbten
Oberfläche,
insbesondere einer einem Torus-Oberflächenabschnitt gleichenden Oberfläche auf.
Mit zunehmender Verformung der Scheibe legt sich diese gleichmäßig an der
konvex gewölbten
Auflagefläche
an, wobei sich der maßgebliche
Abstützpunkt
in radialer Richtung verschiebt.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist dem Durchflusselement eine
zweite Auflagefläche zur
Abstützung
der Scheibe insbesondere im Bereich ihres äußeren Randes zugeordnet. Die
zweite Auflagefläche
dient bevorzugt zur Abstützung
der Scheibe im Fall einer Überschreitung
eines bestimmten Schwel lenwertes der Belastung der Scheibe, weshalb
in bevorzugter Weise im entlasteten Zustand ein axialer Spalt zwischen
der Scheibe und der zweiten Auflagefläche vorgesehen ist. Zugleich
kann durch berührenden
Kontakt zwischen Scheibe und zweiter Auflagefläche eine Sperrung der Durchströmung des Ventilelements
an dieser Stelle bewirkt werden.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen der Scheibe und
einem Gehäuse
ein vom Fluid durchströmbarer,
insbesondere ringförmiger Spalt
vorgesehen ist. Dabei mündet
ein insbesondere radialer Spalt in bevorzugter Weise in einen weiteren
axialen Spalt zwischen Scheibe und Lagerelement. Der Spalt befindet
sich bevorzugt im Bereich eines frei abragenden äußeren Randes der Scheibe.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist das Ventilelement ein
insbesondere zentral angeordnetes, die Bohrung der Scheibe durchgreifendes
Führungselement
auf, welches mit einer vom Fluid durchströmbaren Drosselvorrichtung ausgestattet
ist und/oder eine die Scheibe fixierende Halteanordnung und/oder
das Lagerelement trägt.
In bevorzugter Weise sind Führungselement
und Lagerelement einstückig
ausgeführt.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Halteanordnung
eine vorgespannte, die Scheibe mit einer Kraft beaufschlagende Feder.
Die Feder kann insbesondere als Tellerfeder, Schraubenfeder oder
als elastisch deformierbarer Ring ausgeführt sein.
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Weitere
Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung, in der bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung
anhand der Zeichnungen dargestellt sind.
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Hierzu
zeigen
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1 in
einer schematischen Darstellung einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Ventilelement
in einer ersten Arbeitsposition und
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2 das
Ventilelement nach 1 in einer zweiten Arbeitsposition.
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In
einem Kältemittelkreislauf
einer Kraftfahrzeugklimaanlage, in dem mit Hilfe eines Kältemittelkompressors
ein Fluid in Form eines zumindest abschnittsweise gasförmigen Kältemittels
(beispielsweise CO2) umgewälzt wird,
ist ein Kältemittelkompressor
vorgesehen. Der Kältemittelkompressor
ist in bevorzugter Weise als Hubkolbenkompressor mit einer Mehrzahl
von Verdichtungszylindern ausgeführt, in
denen mit Hilfe translatorisch beweglicher Kolben das gasförmige Kältemittel
verdichtet und nachfolgend in einen Druckraum ausgestoßen wird.
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Prinzipbedingt
ergeben sich im Druckraum merkliche Druckschwankungen im komprimierten Kältemittel.
Zur Vergleichmäßigung der
genannten Druckschwankungen ist entsprechend 1 und 2 zwischen
dem Druckraum und einer weiterführenden
Kältemittel-Druckleitung
ein erfindungsgemäßes Ventilelement 1 angeordnet,
welches vom den Druckraum verlassenden Kältemittel durchströmbar ist
(Pfeil A1, Pfeil A2).
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Das
Ventilelement 1 ist in einem vorzugsweise zylindrischen
Gehäuse 5 angeordnet
und weist ein sich in Richtung der Zylin derachse 5a erstreckendes Führungselement 8 auf,
welches einen zentralen Strömungskanal 8a sowie
einen ringförmigen äußeren Strömungskanal 8b begrenzt.
Im zentralen Strömungskanal 8a ist
optional eine verstellbare oder unverstellbare Drosselvorrichtung
(nicht dargestellt) vorgesehen. Hierzu kann im Bereich des zentralen Strömungskanals 8a ein
Einschraubgewinde für
die Drosselvorrichtung vorgesehen sein.
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Im
Bereich des ringförmigen
Strömungskanals 8b sind
ein Lagerelement 2 und ein Durchflusselement 4 angeordnet.
Lagerelement 2 und Durchflusselement 4 sind in
bevorzugter Weise einstückig mit
dem Führungselement 8 ausgestaltet,
so dass diese gemeinsam einen Ventilkörper V bilden, der formschlüssig lösbar mittels
eines Rings 5b sowie einer Nut 5c am Gehäuse 5 festlegbar
ist. In einem modifizierten Ausführungsbeispiel
sind das Durchflusselement und ggf. auch das Lagerelement einstückig mit
dem Gehäuse 5 ausgeführt oder
unlösbar
mit diesem verbunden.
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Das
Durchflusselement 4 weist in bevorzugter Weise eine Mehrzahl
von zylindrischen Bohrungen 4a auf, über die (in Ergänzung zum
zentralen Strömungskanal 8a)
Kältemittel
von einer ersten, dem Druckraum des Kompressors zugewandten Seite
I zu einer zweiten, dem Druckraum des Kompressors abgewandten Seite
II des Ventilelements 1 strömen kann.
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Auf
der ersten, dem Druckraum des Kompressors zugewandten Seite I, ist
im Bereich des äußeren Strömungskanals 8b eine
Scheibe 3 auf das Lagerelement 2 aufgesetzt, wobei
dem Lagerelement 2 eine erste Auflagefläche 2a zur berührenden Abstützung der
Scheibe 3 zugeordnet ist. Diese erste Auflagefläche 2a weist
in bevorzugter Weise eine konvexe Oberflächen geometrie auf, die zumindest abschnittsweise
einer Torusform gleicht oder entspricht. In einem modifizierten
Ausführungsbeispiel ist
die erste Auflagefläche
kugelabschnittsförmig,
rotationselipsoidförmig
oder im Wesentlichen eben ausgeführt.
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Die
Scheibe 3 ist im Wesentlichen kreisringförmig mit
einer inneren Bohrung 3a, einem äußeren Rand 3b sowie
einem innenliegenden Auflagebereich 3c gestaltet und aus
einem elastischen, insbesondere metallischen Werkstoff (z.B. Federstahl) hergestellt,
so dass sie in Abhängigkeit
vom Druck des Fluids federnd nachgiebig ausgeführt ist. Zwischen dem äußeren Rand 3b der
Scheibe 3 und dem Gehäuse 5 ist
in einer ersten Arbeitsposition der Scheibe 3 bzw. des
Ventilelements (vgl. 1) ein durchströmbarer radialer
Spalt 7 angeordnet, der sich zwischen der Scheibe 3 und
dem Durchflusselement 4 in Form eines axialen Spalts 9 fortsetzt.
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In
bevorzugter Weise ist der Scheibe 3 eine vom Führungselement 8 getragene
Halteanordnung 6 zugeordnet, die ein vorgespanntes Federelement 6a umfasst,
welches die Scheibe 3 gegen das Lagerelement 2 drückt. Vorliegend
ist das Federelement als elastischer Gummi- oder Kunststoffring
ausgeführt,
es sind jedoch auch metallische Teller- oder Schraubenfedern oder
dergleichen denkbar. Alternativ ließe sich die Scheibe 3 im
Bereich ihrer Bohrung 3a kraft- und/oder stoffschlüssig an
dem Führungselement 8 festlegen.
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Im
Falle einer stärkeren
Drucksteigerung im Fluid auf der ersten Seite ergibt sich erfindungsgemäß eine Kraft
auf die Scheibe 3, welche eine elastische Verformung der
Scheibe derart verursacht, dass der axiale Spalt 9 zwischen
der Scheibe 3 und dem Durchflusselement 4 verkleinert
und somit die Durch strömung
des Durchflusselements verringert wird (Zwischenposition, nicht
dargestellt). Im Falle einer gegenüber derjenigen bei der Zwischenposition vorliegenden
Drucksteigerung nochmals erhöhten Druckspitze
ergibt sich gemäß 2 eine
zweite Arbeitsposition der Scheibe 3 bzw. des Ventilelements 1.
In der zweiten Arbeitsposition ist die Scheibe soweit elastisch
verformt, dass sie im Bereich ihres äußeren Randes 3b in
einen berührenden
Kontakt mit dem Durchflusselement 4 gelangt. Hierzu ist
in einem äußeren Bereich
des Durchflusselements 4 eine zweite Auflagefläche 4b (Anschlag)
für die
Scheibe 3 vorgesehen. In bevorzugter Weise ist in dieser
zweiten Arbeitsposition der axiale Spalt 9 durch einen
umlaufenden Kontakt der Scheibe 3 mit der zweiten Auflagefläche 4b zumindest
näherungsweise
versperrt bzw. auf Null verkleinert, so dass auch die Durchströmung des
Durchflusselementes 4 verhindert ist.
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Erfindungsgemäß ergibt
sich bei einer beliebig zwischen den genannten Arbeitspositionen
vorliegenden Verformung der Scheibe 3 ein sich ändernder
innenliegender Auflagebereich 3c, insbesondere eine sich
in radialer Richtung kontinuierlich nach außen bewegende Grenzauflagelinie,
bis zu der die Scheibe 3 vom Lagerelement 2 unterstützt wird.
Entsprechend erhöht
die Federkonstante der Scheibe 3 mit zunehmender Verformung.
Abweichend von einer ggf. „linearen" bzw. einer sich
aus der Geometrie der Scheibe bei zentraler Einspannung ergebenden
Federkonstanten kann mittels der vorgeschlagenen konvexen Auflagefläche 2a eine
noch stärkere
Versteifung der Scheibe bei zunehmender Belastung erzielt werden.
Geometrie und Werkstoff der Scheibe 3 sind ebenso wie die
Geometrie der Auflagefläche 2a in
Abhängigkeit
von den beim Betrieb zu erwartenden Druck- und Kräfteverhältnissen
zu wählen.
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In
einem modifizierten Ausführungsbeispiel ist
eine Lagerung bzw. Unterstützung
der Scheibe an ihrem äußeren Randbereich
vorgesehen, wobei sich bei einer analogen Funktionsweise eine innenliegende
Anordnung des durchströmbaren
Spalts ergibt.
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Das
erfindungsgemäße Ventilelement
passt bei einer Änderung
der Druck- und/oder Massenstromverhältnisse auf der ersten Seite
I selbsttätig seinen
durchströmbaren
Querschnitt an und bewirkt somit bei vergleichsweise geringer Drosselwirkung eine
Vergleichmäßigung seiner
Durchströmung
sowie einen geglätteten
Druckverlauf auf der zweiten Seite II. Insbesondere am Auslass eines
intermittierend arbeitenden Hubkolbenverdichters können somit
auf einfache Weise bei geringem Bauraumbedarf Druckspitzen begrenzt
werden.