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Die
Erfindung betrifft ein Ventilelement, insbesondere für einen
Hubkolbenverdichter, mit einem Ventilgehäuse, in dem zwischen einem
ersten Druckraum und einem zweiten Druckraum eine Durchlassöffnung für ein Fluid
angeordnet ist, wobei der Durchlassöffnung eine ringförmige, erste
Dichtfläche
zugeordnet ist, die zusammenwirkt mit einem beweglichen Dichtelement.
Die Erfindung betrifft ferner einen Hubkolbenverdichter mit dem
genannten Ventilelement.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Ventilelement der eingangs genannten Art
bereitzustellen, bei dem ein besonders einfach herstellbares Dichtelement
vorgesehen ist, welches insbesondere unter zur Hilfenahme einer
Druckdifferenz des im ersten Druckraum und im zweiten Druckraum
befindlichen Fluids betätigbar
ist. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, einen Hubkolbenverdichter
mit einem verminderten Schadraum sowie einem massearmen, Platz sparenden
und kostengünstig
herstellbaren Ventilelement bereitzustellen.
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Die
genannte Aufgabe wird zum einen gelöst durch ein Ventilelement,
welches ein Dichtelement umfasst, das eine in Richtung des ersten
Druckraums konvex gestaltete zweite Dichtfläche aufweist, die in berührenden
Kontakt bringbar ist mit der ersten Dichtfläche. Die zweite Dichtfläche wirkt
somit winkeltolerant mit der ersten Dichtfläche zusammen und gewährleistet
eine optimale Dichtwirkung des Dichtelements. Zugleich ist das Dichtelement
einfach und kostengünstig
herstellbar. Die erste Dichtfläche
und die zweite Dichtfläche
weisen bevorzugt einen näherungsweise
linienförmigen
Berührbereich
auf, in dem sich beide Dichtflächen
zudem bevorzugt zur Einstellung einer optimalen Dichtwirkung in
einer Einlaufphase geringfügig
plastisch verformen.
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Die
genannte Aufgabe wird zum anderen gelöst mit Hilfe eines Dichtelements,
welches eine zweite Dichtfläche
aufweist, welche in berührenden
Kontakt bringbar ist mit der ersten Dichtfläche, wobei das Dichtelement
im wesentlichen als dünnwandiges, metallisches
Schalenelement, insbesondere mit einem abgeflachten, kreisringförmigen Randbereich ausgeführt ist.
Die erste Dichtfläche
und die zweite Dichtfläche
weisen bevorzugt einen näherungsweise linienförmigen Berührbereich
auf, in dem sich beide Dichtflächen
zudem bevorzugt zur Einstellung einer optimalen Dichtwirkung in
einer Einlaufphase geringfügig
plastisch verformen. Das Schalenelement ist bevorzugt als dünnwandige
Kugelkappe ausgeführt und
weist eine bevorzugt hohe strukturelle Festigkeit auf, die durch
eine entsprechende Materialwahl (z.B. Federstahl) verstärkt werden
kann. Ferner verbessert der abgeflachte, ringförmige Randbereich („Kragen") die Festigkeit
des Dichtelements und wirkt bevorzugt mit einem oder mehreren Anschlägen zusammen,
mit denen das Dichtelement abgestützt wird.
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Die
genannte Aufgabe wird zum anderen gelöst durch einen Hubkolbenverdichter
mit wenigstens einem der genannten Ventilelemente, wobei insbesondere
bei dem Ventilelement ein Dicht element vorgesehen ist, welches eine
in Richtung des ersten Druckraums konvex gestaltete zweite Dichtfläche aufweist,
welche in berührenden
Kontakt bringbar ist mit der ersten Dichtfläche. In bevorzugter Weise ragt das
Dichtelement in einer Sperrposition abschnittsweise durch die Durchlassöffnung hindurch
in den ersten Druckraum ein. Das Dichtelement nimmt seine Sperrposition
in weiter bevorzugter Weise dann ein, wenn ein zugeordneter Kolben
des Hubkolbenverdichters von einem oberen Totpunkt entfernt positioniert
ist, wobei das Ventilelement den Kompressionszylinder, in dem der
Kolben beweglich angeordnet ist, nach oben hin begrenzt. Auf diese
Weise ist es ermöglicht,
das Dichtelement in eine Öffnungsposition zu
bringen, in der es außerhalb
des ersten Druckraums angeordnet ist, während der Kolben seinen oberen
Totpunkt einnimmt. Mithin nehmen in bevorzugter Weise das Dichtelement
und der Kolben zu verschiedenen Zeitpunkten sogar dasselbe Volumen innerhalb
des ersten Druckraums ein. In vorteilhafter Weise reduziert das
Dichtelement durch das Einragen in den ersten Druckraum das schädliche Volumen
im Kompressionszylinder.
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In
Ausgestaltung der Erfindung ist die zweite Dichtfläche an einem
Abschnitt eines Sphäroids,
insbesondere an einer Kugelkappe gebildet. Eine derartige Gestaltung
der zweiten Dichtfläche
ermöglicht ein
dichtendes Zusammenwirken der zweiten Dichtfläche und der ersten Dichtfläche auch
bei einer Abweichung der Winkellage des Dichtelements von der Sollposition.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das Dichtelement im wesentlichen
als Abschnitt einer dünnwandigen
Kugelschale, insbesondere mit einem abgeflachten, kreisringförmigen Randbereich
(„Kragen") ausgeführt. In
bevorzugter Weise ist der Abschnitt einer Kugelschale als hohle
Kappe mit hoher struktu reller Steifigkeit gewählt. Ein derart gestaltetes Dichtelement
ist besonders einfach herstellbar, weist auf seiner dem ersten Druckraum
zugewandten Seite eine konvexe und auf seiner dem zweiten Druckraum zugewandten
Seite eine konkave Oberfläche
auf. Der kreisringförmige
Kragen bietet eine vergrößerte Auflagefläche gegenüber einem
axialen Anschlag in einer Öffnungsposition
des Dichtelements. Außerdem
ergibt sich mit Hilfe des Randbereichs eine erhöhte (Dauer-)Festigkeit des
Dichtelements.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist die erste Dichtfläche einen
gekrümmten,
insbesondere kreissegmentförmigen
Querschnitt auf. Die erste Dichtfläche umgreift die Durchlassöffnung,
wobei die Durchlassöffnung
eine Senkrechte parallel zu einer Zylinderachse aufweist, wobei
der kreissegmentförmige
Querschnitt im wesentlichen ebenfalls parallel zur Zylinderachse
und durch die Senkrechte orientiert ist. Dadurch ergibt sich in
besonders zuverlässiger
Weise eine dichtende Berührungssituation zwischen
Durchlassöffnung
und Dichtelement, insbesondere wenn die erste Dichtfläche in einer
Einlaufphase geringfügig
plastisch deformierbar ausgeführt ist.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das Dichtelement quer zur
ersten Dichtfläche,
insbesondere in Richtung einer Zylinderachse axial verschiebbar
gelagert. Insbesondere kann das Dichtelement lose in einer Axialführung angeordnet
sein, wobei eine Betätigung
des Dichtelements über
die anliegenden Druckdifferenzen des Fluids erfolgen kann.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist dem Dichtelement ein axialer
Anschlag mit insbesondere einem axial wirkenden Federelement zugeordnet.
Der axiale Anschlag definiert in bevorzugter Weise die Öffnungsposition
des Dichtelements, indem er dieses abstützt, und begrenzt somit den
Bewegungsweg des Dichtelements zwischen einer Sperr- und einer Öffnungsposition.
Eines oder mehrere Federelemente ermöglichen ein einstellbares Abbremsen
des Dichtelements im Bereich seiner Öffnungsposition.
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Weitere
Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung,
in der anhand einer Zeichnung vorteilhafter Ausführungsbeispiele der Erfindung
beschrieben sind. Hierzu zeigen
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1 einen
Querschnitt in Längsrichtung durch
einen ersten Hubkolbenverdichter mit einem erfindungsgemäßen Ventilelement
sowie
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2 einen
Querschnitt in Längsrichtung durch
einen zweiten Hubkolbenverdichter mit einem erfindungsgemäßen Ventilelement.
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Ein
erster Hubkolbenverdichter 1 einer Kraftfahrzeugklimaanlage
dient zur Komprimierung eines insbesondere gasförmigen Kältemittels (Fluid), wobei gemäß 1 in
einem mehrteiligen Verdichtergehäuse 10 ein
erster Druckraum 4 in Form eines Kompressionszylinders
angeordnet ist, in dem ein Kolben 11 axialbeweglich gelagert
ist. Der Kolben 11 bewegt sich im Betrieb insbesondere
zwischen einem oberen Totpunkt und einem unterem Totpunkt in axialer
Richtung auf und ab, und zwar parallel zu einer Zylinderachse, die
der Kolbenachse 11a entspricht.
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Im
Bereich des oberen Totpunkts des Kolbens 11 ist ein Ventilelement 2 angeordnet.
Das Ventilelement 2 umfasst ein Ventil gehäuse 3,
welches dem ersten Druckraum 4 (Kompressionszylinder) von
einem zweiten Druckraum 5 abtrennt. Über den zweiten Druckraum 5,
der vorliegend als Auslasskammer des Hubkolbenverdichters ausgeführt ist,
ist das Kältemittel
in den Kältemittelkreislauf
der Klimaanlage transferierbar.
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Zur
Herstellung einer Verbindung zwischen erstem Druckraum 4 und
zweitem Druckraum 5 ist im Ventilgehäuse 3 eine Durchlassöffnung 6 vorgesehen,
welche mit Hilfe eines (ersten) Dichtelements 7 absperrbar
ist. Die Durchlassöffnung
ist als integraler Bestandteil des Ventilgehäuses 3 ausgebildet
und umfasst in bevorzugter Weise eine trichterförmige Aufnahme 6b für das Dichtelement 7,
die an einer ersten umlaufenden, bevorzugt kreisringförmigen Dichtfläche 6a (erste
Dichtkante) endet. In seiner Sperrposition ist das Dichtelement
an der ersten Dichtkante 6a anliegend gestaltet (vgl. 1).
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Das
(erste) Dichtelement 7 ist in bevorzugter Weise in der
Form einer metallischen, dünnwandigen,
hohlen Kugelkappenschale ausgestaltet und weist auf einer dem Kompressionszylinder 4 zugewandten
Seite eine kugelige, konvex gewölbte
zweite Dichtfläche 7a auf.
Die zweite Dichtfläche 7a ist
dazu vorgesehen, in der dargestellten Sperrposition des Dichtelements
zusammen mit der ersten Dichtkante 6a eine Berührungslinie
zwischen Durchlassöffnung und
Dichtelement zu bilden, die in einem möglichst großen Toleranzbereich unabhängig ist
von der exakten Winkellage des Dichtelements in dessen Sperrposition.
Somit ist dem Dichtelement 7 mit einfachen Mitteln ein
zuverlässiger
Dichtsitz zugeordnet.
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In
seiner Sperrposition durchgreift das Dichtelement 7 die
geometrische Ebene der ersten Dichtkante 6a sowie bevorzugt die
gesamte Durchlassöffnung 6.
Damit ragt das Dichtelement 7 zumindest mit einer vorderen
Kuppe 7b in den Kompressionszylinder hinein und vermindert
so das freie Volumen im Kompressionszylinder. In einer sich an das
Herstellungsverfahren anschließenden
Einlaufphase des Hubkolbenverdichters, in der der Verdichter mit
Last oder ohne Last betrieben wird, wird die Dichtkante 6a mittels
des Dichtelements 7 geringfügig plastisch deformiert. Dabei
lässt sich
die Dichtkante 6a wenigstens abschnittsweise abflachen
und/oder an die Kontur des Dichtelements anpassen. Alternativ oder
ergänzend
wird das Dichtelement 7 im Bereich seiner zweiten Dichtfläche 7a geringfügig plastisch
deformiert, wobei die Dichtfläche
wenigstens abschnittsweise abgeflacht und/oder an die Kontur der
ersten Dichtfläche 6a angepasst
wird.
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In
dem Ventilgehäuse 3 ist
ferner eine als Anschlag für
das Dichtelement 7 dienende, ringförmige Scheibe 8 vorgesehen.
Die ringförmige
Scheibe 8 weist in bevorzugter Weise im Bereich einer inneren Ausnehmung 8a eine
Mehrzahl von nach innen, in Richtung der inneren Ausnehmung 8a,
insbesondere radial abragenden Laschen 8b auf. In seiner
nicht dargestellten Öffnungsposition
liegt das Dichtelement 7 mit einem rückseitigen Endabschnitt 7c an der
Scheibe 8 und/oder an deren Laschen 8b berührend an.
Die Laschen 8b sind in bevorzugter Weise einstückig mit
der Scheibe 8 aus demselben elastischen, metallischen Werkstoff,
insbesondere einem Federstahl hergestellt und dienen somit als axial
wirkende Federelemente. Somit ergibt sich für das Dichtelement 7 ein
begrenzt nachgiebiger, federnder Anschlag, der den Bewegungsraum
des Dichtelements 7 in axialer Richtung begrenzt. Zugleich
ermöglicht die
Scheibe eine Abstützung
des Dichtelements 7, in dessen Öffnungsposition derart, dass
es eine gewünschte
Winkelposition bezogen auf die Kolbenachse 11a einnimmt.
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In
einem modifizierten Ausführungsbeispiel ist
die erste Dichtfläche
mit einer Fase versehen, die auch bei Winkeländerungen des Dichtelements
tangential zur zweiten Dichtfläche
zu liegen kommt. In einem weiteren modifizierten Ausführungsbeispiel
ist das Dichtelement 7 im Bereich seines Endabschnitts 7c mit
einer Abdeckplatte derart verbunden, dass sich ein kugelkappenförmiger Hohlkörper ergibt.
In einem weiteren modifizierten Ausführungsbeispiel ist dem Dichtelement
im Bereich seines Endabschnitts 7c eine weitere, dünnwandige
Kugelschalenkappe zugeordnet, so dass sich ein linsenförmiger Hohlkörper ergibt.
Dabei weisen die jeweiligen Sphäroide
bevorzugt unterschiedliche Krümmungsradien
auf.
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Im
Falle einer Kompressionsbewegung des Kolbens 11 in Richtung
des oberen Totpunkts ergibt sich im Kompressionszylinder 4 zumindest
kurz vor Erreichen des oberen Totpunkts durch den Kolben ein Druck,
der höher
ist, als derjenige in der Auslasskammer 5. Mit Hilfe dieser
Druckdifferenz ist das Dichtelement 7 in die Öffnungsposition
bewegbar, so dass es die Durchlassöffnung 6 freigibt
und ein Ausströmen
des komprimierten Kältemittels
in die Auslasskammer 5 gestattet. Im Falle einer Ansaugbewegung
des Kolbens 11 in Richtung des unteren Totpunkts ergibt
sich zu einem bestimmten Zeitpunkt eine Situation, in der der Druck
des Kältemittels
in der Auslasskammer 5 größer ist als der Druck im Kompressionszylinder 4.
In diesem Fall wird das Dichtelement 7 mit Hilfe der entstandenen
Druckdifferenz in seine in der Figur dargestellte Sperrposition
bewegt.
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Ein
zweiter Hubkolbenverdichter 1' einer Kälteanlage dient zur Komprimierung
eines insbesondere gasförmigen
Kältemittels
und ist somit im wesentlichen gleich dem ersten Hubkolbenverdichter 1 aufgebaut.
Gemäß 2 ist
in einem wiederum mehrteiligen Verdichtergehäuse 10' ein erster Druckraum 4' in Form eines
Kompressionszylinders angeordnet. Der Kompressionszylinder 4' wird durch
ein erstes Gehäuseteil 10a' definiert,
in dem ein Kolben 11' zwischen
einem oberen Totpunkt und einem unterem Totpunkt in Richtung der
Zylinderachse 11a' axialbeweglich
gelagert ist.
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Im
Bereich einer insbesondere aus einem Leichtmetall-Werkstoff (Aluminium-Legierung
oder dergleichen) hergestellten Ventilplatte 10b', welche den
Kompressionszylinder 4' nach
oben hin begrenzt, ist ein Ventilelement 2' angeordnet. Das Ventilelement 2' umfasst ein
Ventilgehäuse 3', welches im
wesentlichen einstückig
mit der Ventilplatte 10b' ausgeführt ist.
Ventilplatte samt Ventilgehäuse 3' trennen den
ersten Druckraum 4' (Kompressionszylinder)
von einem zweiten Druckraum 5' (Auslasskammer) sowie einem dritten
Druckraum 12' (Einlasskammer).
Einlasskammer 12' und
Auslasskammer 5' sind
dabei ferner von einem Zylinderkopf 10c' begrenzt, wobei zwischen Zylinderkopf 10c' und Ventilplatte 10b' eine Zylinderkopfdichtung 13 angeordnet
ist und wobei zwischen Ventilplatte 10b' und erstem Gehäuseteil 10a' eine federnde
Sperrmembran 14 zum verschließen eines Einlasses 15 positioniert ist.
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Zur
Herstellung einer Verbindung zwischen erstem Druckraum 4' und zweitem
Druckraum 5' ist im
Ventilgehäuse 3' eine Durchlassöffnung 6' (Auslass) vorgesehen,
welche gemäß 2 mit
Hilfe eines (zweiten) Dichtelements 7' absperrbar ist. Die Durchlassöffnung 6' umfasst eine
Aufnahme 6b' für das Dicht element 7', die an einer
ersten (kreis-)ringförmigen
Dichtfläche 6a' endet. Die
Dichtfläche 6a' weist in allen
durch die Ventilachse verlaufenden Querschnitten einen Radius R
auf, so dass sich bei jedem Querschnitt ein Kreissegment ergibt.
Insgesamt formt die Dichtfläche 6a' bevorzugt einen
Torus-Abschnitt.
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Das
(zweite) Dichtelement 7' ist
als metallisches Schalenelement in Form einer aus Blech hergestellten
dünnwandigen
Kugelkappe ausgestaltet und weist auf einer dem Kompressionszylinder 4' zugewandten
Seite eine kugelige, konvexe zweite Dichtfläche 7a' auf. Die zweite Dichtfläche 7a' ist dazu vorgesehen,
in der dargestellten Sperrposition des Dichtelements 7' zusammen mit
der ersten Dichtfläche 6a' eine Berührungslinie
zwischen Durchlassöffnung
und Dichtelement zu bilden. Die Dichtflächen weisen entsprechend gemeinsame
Tangentialebenen auf.
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An
einem rückseitigen
Endabschnitt 7c' ist dem
Dichtelement ein abgeflachter, kreisringförmiger Randbereich 7d' (Kragen) zugeordnet,
welcher in radialer Richtung von dem Dichtelement 7' abragt. Ein derartiger
Kragen ergibt eine erhöhte,
strukturelle Festigkeit des Dichtelements 7'.
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In
dem Ventilgehäuse 3' ist eine Halterung 9 vorgesehen.
Die Halterung 9 umfasst einen näherungsweise ringförmigen Befestigungsabschnitt 9a, mehrere
parallel zur Zylinderachse 11a' orientierte Führungsabschnitte 9b sowie
einen zentralen Gegenhalter 9c. Über den Befestigungsabschnitt 9a lässt sich
die Halterung 9 am Ventilgehäuse 3' fixieren. Die Führungsabschnitte 9b sind
bevorzugt als vom Befestigungsabschnitt abragende, umgebogene Laschen
ausgeführt,
die das Dichtelement 7' an
seinem Kragen 7d' axial
beweglich halten. Der Gegenhalter 9c lagert schließlich ein
(Schrauben-)Federelement 16, welches das Dichtelement 7' an einer konkaven
Innenfläche
abstützt
und in dessen Sperrposition gegen die erste Dichtfläche 6a' drückt.
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In
einer nicht dargestellten Öffnungsposition des
Dichtelements 7' ist
das Schraubenfederelement 16 bevorzugt nahezu vollständig zusammengedrückt. Mit
Hilfe des Federelements 16 lässt sich das Öffnungs-
und Schließverhalten
des Dichtelements 7' einstellen.
Insbesondere wird das Dichtelement 7' auf seinem Weg in eine Öffnungsposition
durch das Federelement 16 abgebremst.
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Die
vorgeschlagenen Hubkolbenverdichter sind insbesondere hinsichtlich
ihres jeweiligen (Auslass-)Ventilelements einfach und kostengünstig herstellbar
und weisen jeweils einen verminderten Schadraum auf. Eine Ansteuerung
der Bewegung der Dichtelemente erfolgt in bevorzugter Weise einfach
und selbsttätig
in Abhängigkeit
von den Druckverhältnissen
im Verdichter. Die erfindungsgemäßen Ventilelemente
weisen eine geringe Masse und hohe Stabilität auf. Ein erfindungsgemäßes Ventilelement lässt sich
selbstverständlich
auch als Einlass- oder Rückschlagventil
konfigurieren. Es versteht sich ferner von selbst, dass ein erfindungsgemäßes Ventilelement
auch in beliebigen anderen, bevorzugt mit (schnellen) Druckwechseln
arbeitenden Systemen mit Vorteil einsetzbar ist.