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Die Erfindung betrifft einen Verdichter mit elektrischer Regelung und mechanischem Zusatzventil für eine Fahrzeug-Klimaanlage, mit einem eine Triebkammer begrenzenden Gehäuse, einem Zylinderblock, in dem mindestens ein Kolben axial hin- und her verschiebbar gelagert ist, und einen eine Saug- und Druckseite umfassenden Zylinderkopf.
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Stand der Technik
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Verdichter variabler Kapazität mit Schwenkscheiben-Antrieb, der sich innerhalb der Triebkammer befindet und über den die Drehbewegung einer Antriebswelle in eine axiale Hin- und Her-Bewegung des oder der Kolben umgesetzt wird, sind aus dem Stand der Technik bekannt. Die Schwenkscheibe lässt sich hinsichtlich ihrer Neigung relativ zur Antriebswelle, die mit einem externen Motor koppelbar ist, variieren. Die Neigung der Schwenkscheibe bestimmt den Hub des oder der Kolben. Wenn der Druck in der Triebkammer relativ niedrig ist, ist die Neigung der Schwenkscheibe groß, so dass der Hub des oder der Kolben entsprechend lang ist. Wenn der Druck in der Triebkammer relativ hoch ist, ist die Neigung der Schwenkscheibe klein, so dass der Hub des oder der Kolben entsprechend gering ist.
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In der Regel sind solche Verdichter als Axialkolbenverdichter ausgeführt, wobei die Hubanpassung durch eine Veränderung des Kippwinkels der Schwenkscheibe erfolgt. Dabei wird die Position des unteren Totpunktes des oder der Kolben verändert; die Lage des oberen Totpunktes und damit die Größe des sog. schädlichen Raums bleiben idealtypisch unverändert.
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Beim Betrieb eines solchen Verdichters treten interne Leckagen und Verluste auf. Die Hauptursache dafür ist, dass bei der Verdichtung eines in den bzw. die Zylinder gesaugten Kältemittels in der Regel ein sog. Teilmassenstrom durch den Spalt zwischen Zylinder und Kolben in den Triebwerksraum des Verdichters eintritt. Um in der Triebkammer einen unerwünschten Überdruck zu vermeiden, ist zwischen Triebkammer und der Niederdruck- bzw. Saugseite eine Fluidverbindung vorgesehen, über die die Triebkammer eintretende Leckagemassen wieder abströmen können. Bei der erwähnten Fluidverbindung handelt es sich in der Regel um eine Verbindungsbohrung durch das Gehäuse des Verdichters. Der freie Querschnitt dieser Bohrung ist im Allgemeinen so dimensioniert, dass selbst unter ungünstigsten Bedingungen kein unerwünschter Überdruck in der Triebkammer entsteht. Aufgrund der beschriebenen Abhängigkeit des Kolbenhubs vom Druck innerhalb der Triebkammer ist es üblich, den Verdichter extern dadurch zu regeln, dass der Druck in der Triebkammer beeinflusst wird. Durch Erhöhung des Drucks innerhalb der Triebkammer wird in das interne Kräfte- und Momentengleichgewicht des Verdichters derart eingegriffen, dass sich der Hub der Kolben reduziert. Der Verdichter wird dadurch abgeregelt. Umgekehrt verhält es sich bei Reduzierung des Drucks in der Triebkammer. Dadurch lässt sich der Verdichter aufregeln. Die entsprechenden Regelventile werden elektrisch angesteuert. Dabei erfolgt die Erhöhung des Drucks innerhalb der Triebkammer und damit ein entsprechendes „Abregeln" des Verdichters durch gezieltes Öffnen einer Fluidverbindung zwischen Triebkammer und Druck- bzw. Hochdruckseite des Verdichters. In dieser Fluidverbindung ist das erwähnte Regelventil, welches vorzugsweise elektrisch ansteuerbar ist, angeordnet. Dabei sollte zum einem der Schwenkwinkel verändert und damit der Auslassstrom in die Klimaanlage, zum anderen sichergestellt werden, dass der Druck in der Triebkammer ein vorbestimmtes Maximalniveau nicht überschreitet. Zu diesem Zweck ist eine Sicherheits-Fluidverbindung zwischen Triebkammer und der Saugseite des Verdichters vorgesehen. Eine solche Anordnung ist aus der
EP1777412 A1 bekannt. Ein Verdichter wird hier mit einem Regelventil betrieben, so dass ein kontrollierter Fluss von der Druckseite über das Regelventil zum Triebkammer erfolgt.
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Die Erhöhung des Drucks in der Triebkammer erfolgt beim Stand der Technik immer in Relation zu der Druckerhöhung über eine im Querschnitt konstante Fluidverbindung zwischen Triebkammer und der Saugseite des Verdichters. Dabei ist zu bedenken, dass bei Aufrechterhaltung des erhöhten Differenzdruckes bedingt durch den konstanten Querschnitt der erwähnten Fluidverbindung beim Abregeln des Verdichters, also bei Erhöhung des Differenzdrucks zwischen Triebkammer und Saugseite der abfließende Massenstrom aus der Triebkammer stetig und signifikant größer wird. Da dieser Massenstrom unmittelbar der Hochdruckseite entnommen werden muss, steht er im System für den eigentlichen Zweck des Verdichters, d.h. Kühlen oder Heizen, nicht mehr zur Verfügung und muss demzufolge als Verlust angesehen werden.
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Zu Lösung dieses Problems wird in der
WO 2005098235 ein Verdichter vorgeschlagen, wobei zwischen Triebkammer und Saugseite eine Fluidverbindung vorgesehen ist, in der ein kontinuierlich arbeitendes Regelventil angeordnet ist, mittels dem ab einer vorbestimmten Druckdifferenz zwischen Triebkammer und Saugseite bei weiter ansteigender Druckdifferenz die Fluidverbindung zwischen Triebkammer und Saugseite zunehmend gedrosselt, im Extremfall vollständig geschlossen wird. Der Grundgedanke ist also der, dass bei niedrigem Differenzdruck zwischen Triebkammer und Saugseite und damit zu dem zu förderten Volumen mindestens eine im Normalbetrieb nicht wirksame Öffnung in Funktion tritt, durch die ein Zuströmen von Masse aus der Triebkammer möglich ist derart, dass der Druck in der Triebkammer schnell erhöht wird und somit der Verdichter schnell auf einem niedrigen Kältemittelstrom zurückregelt. Bei dieser Maßnahme handelt es sich um eine Maßnahme, um das aufgenommene Drehmoment des Verdichters zu reduzieren. Diese Anordnung löst aber das Problem nicht, dass der Verdichter eine Regelung für eine hohe Stabilität braucht, ohne dass man die dynamische Anpassung der Parameter vernachlässigt.
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Dementsprechend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, bei einem extern geregelten Verdichter die Schnelligkeit der Verdichter-Hubraumregelung zu verbessern, ohne auf die notwendige Stabilität in der Regelung zu verzichten.
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Die Aufgabe wird gelöst mit den Merkmalen der Ansprüche insbesondere mit einem Verdichter mit verstellbarem Hubvolumen, mit einer Triebkammer, in welchem ein Triebwerk mit Kolben und Zylindern angeordnet ist, wobei der Kolbenhub durch eine im Winkel verstellbare Antriebsscheibe veränderbar und somit das Hubvolumen durch den Druck in der Triebkammer verstellbar ist, mit einem Triebkammerzuflussstrom, durch den von der Hochdruckseite Kältemittel über ein elektrisch verstellbares Regelventil in die Triebkammer und mit einem Triebkammerabflussstrom über einen fluidischen Widerstand, zur Niederdruckseite strömt, so dass der in der Triebkammer herrschende Zwischendruck zwischen dem Auslassdruck und dem Ansaugdruck den Verstellwinkel der Antriebsscheibe einstellt und im Triebkammerzuflussstrom in Strömungsrichtung in Reihe hinter dem elektrisch verstellbaren Regelventil ein durch Druckkräfte verstellbares mechanisches Ventil angeordnet ist. Das mechanische Ventil ermöglicht eine zusätzliche schnelle Druckerhöhung in der Triebkammer unabhängig von den Verstellzeiten des elektrischen Ventils, da es aufgrund seiner geringen Kolbenmasse viel schneller reagieren kann als ein elektrisches Ventil mit entsprechender Elektromagnetmasse.
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Vorteilhafterweise hat der Verdichter das mechanische Ventil, das im Verdichtergehäuse, beispielsweise in einer Aussparung eines Zylinderkopfes oder in einem Zylinderblock angeordnet ist und einen Zuflussanschluss, beispielsweise einen Verbindungskanal, und zwei Abflussanschlüsse zur Triebkammer aufweist. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass der entsprechende Abfluss in die Triebkammer über zwei Anschlüsse in seiner Größe unterschiedlich beeinflusst und somit geregelt werden kann.
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Es ist weiterhin von Vorteil, dass der erste Abflussanschluss mit dem Querschnitt (Q2) konstant ist und der zweite Abflussanschluss mit dem Querschnitt (Q3) über eine Steuerkante eines Ventilkolbens des mechanischen Ventils eine Bypassöffnung, welche den zweiten Abflusskanal mit dem Querschnitt (Q3) entsprechend öffnet oder schließt, veränderbar ist, wobei der verstellbare Ventilkolben gegen die Kraft einer Feder und den entsprechenden Druckkräften auf die Druckwirkfläche am Ventilboden und auf die entgegengesetzte Druckwirkfläche im Federraum seine Position einstellt.
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Das hat den Vorteil, dass über den zweiten Triebkammerzufluss mit dem Querschnitt (Q3) ein zusätzlicher Volumenstrom für eine schnelle Erhöhung des Triebkammerdruckes und damit für ein schnelles Zurückschwenken des Kompressors zur Minimierung des Kompressorförderstroms und somit zur Minimierung des vom Kompressor aufgenommenen Drehmomentes führt, was beispielsweise notwendig ist, wenn ein Fahrzeug zum Überholen und dem damit verbundenen Beschleunigen alle Drehmomentreserven für den Antrieb des Fahrzeuges benötigt und nicht mehr genügend Drehmoment zum Antrieb des voll ausgeschwenkten Kompressors zur Verfügung hat.
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Es ist von Vorteil, dass der erste und der zweite Abfluss des mechanischen Regelventils in die Triebkammer münden und bei voller Öffnung der Zufluss in die Triebkammer größer ist als der Abfluss über den fluidischen Widerstand.
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Vorteilhafterweise weist der Ventilkolben in seinem Ventilboden eine Öffnung mit einem Querschnitt (Q1) auf, welche für den Triebkammerzuflussstrom über den Querschnitt (Q2) als Konstantdrossel wirksam ist. Das hat den Vorteil, dass bei einer Veränderung, sprich Erhöhung des Triebkammerzuflussstromes durch das elektrische Ventil zunächst kurzzeitig, verzögert durch den Drosselquerschnitt (Q1), sich auf der Druckwirkfläche ein höherer Druck aufbaut als auf der Druckwirkfläche, so dass der Ventilkolben kurzzeitig eine schnelle Öffnungsbewegung für den Öffnungsquerschnitt mit der Steuerkante macht und nach Ausgleich des Druckes in der Triebkammer durch den danach von hinten auf die Druckwirkfläche wirkenden ebenfalls erhöhten Triebkammerdruck und durch die Kraft der Feder wieder in eine entsprechende stationäre Position zurückfährt, so dass ggf. der Querschnitt wieder geschlossen wird oder in einer minimalen Öffnungsposition, je nach Menge des stationär benötigten Triebkammerzustromes, verbleibt. D. h. die geschlossene Stellung des Querschnitts (Q3) des mechanischen Ventils wird bevorzugt während des stationären Betriebs des Verdichters eingenommen, die geöffnete Stellung ergibt sich kurzzeitig während der Reduzierung der Förderleistung des Verdichters in Folge eines Regeleingriffes von außen, beispielsweise durch eine Stromreduzierung für den Magneten des elektrischen Ventils über eine entsprechende elektronische Regelung.
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Es ist von Vorteil, dass der Ventilkolben bei Beginn einer Triebkammerzuflusserhöhung und damit einer Triebkammerdruckerhöhung durch das elektrische Regelventil auf einen dadurch verursachten Volumenstromstoß in die Triebkammer, der dabei einen Druckstoß verursacht, kurzzeitig den zweiten Abfluss (Q3) zur Triebkammer öffnet und so einen schnelleren Aufbau des Triebkammerdrucks ermöglicht (D- bzw. Differentialverhalten in der Regeltechnik) und nach erfolgter Triebkammerdruckerhöhung innerhalb einer gewissen Zeit T (T-Einregelzeit in der Regeltechnik) durch das Druckgleichgewicht auf die Druckwirkflächen und durch die Kraft der Feder in eine quasi stationäre Position zurück fährt und den zweiten Zufluss mit dem Querschnitt (Q3) wieder ganz oder teilweise verschließt.
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Beschreibung der Erfindung
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Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform aus dem Stand der Technik
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2 zeigt die erfindungsgemäße Lösung im Ausschnitt.
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Der Verdichter 1 weist eine Hauptwelle 10, einen an der Hauptwelle 10 befestigten Rotor 11, und eine an der Hauptwelle 10 gelagerte, die den Neigungswinkel ändert.
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Die Antriebsscheibe 12 ist über einen Verbindungsmechanismus 13 mit dem Rotor 11 verbunden, der die Änderung der Neigungswinkel der geneigten Platte 12 ermöglicht und sich synchron mit dem Rotor 11 und der Hauptwelle 10 dreht.
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Ein beispielhaft eingezeichneter Kolben 15 ist mit der geneigten Platte 12 über ein Paar Gleitschuhe 14 gleitend auf dem Rand der geneigten Platte 12 in Eingriff und ist in eine Zylinderbohrung 16a in einem Zylinderblock 16 hin und her bewegbar ausgebildet. Ein Zylinderblock 16 und ein Frontgehäuse umfassen eine Treibkammer 17, die Hauptwelle 10, der Rotor 11 und die Antriebsscheibe 12.
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Die Hauptwelle 10 erstreckt sich durch das vordere Gehäuse 18 nach außen. Ein Wellendichtungselement 19 ist zum Abdichten des Durchgangsbereiches der Hauptwelle 10 im vorderen Gehäuse 18 angeordnet und eine Riemenscheibe 20 ist an einem Spitzenabschnitt der Hauptwelle 10 befestigt.
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Ein Zylinderkopf 23 bildet eine Saugraum 21 und eine Ausstoßkammer 22 an einer Position auf einer Seite des Zylinderblocks 16 aus. Der Saugraum 21 ist durch eine Ansaugöffnung (nicht gezeigt) mit einem Verdampfer (nicht gezeigt) verbunden, beispielsweise in einem Kühlkreislauf einer Klimaanlage für Fahrzeuge. Die Ausstoßkammer 22 ist durch eine Auslassöffnung (nicht gezeigt) mit einem Kondensator (nicht gezeigt) verbunden.
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Eine Ventilplatte 24 mit Ansaugöffnung 21a und Austrittsloch 22a stellt die Verbindung mit einer Zylinderbohrung 16a zwischen Zylinderblock 16 und Zylinderkopf 23 her. Ein Ablassventil und ein Ansaugventil (nicht gezeigt) sind an der Ventilplatte 24 befestigt. Die Treibkammer 17 und der Saugraum 21 sind miteinander über eine Öffnung 24a durch die Ventilplatte 24 verbunden.
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Das vordere Gehäuse 18, der Zylinderblock 16, die Ventilplatte 24 und der Zylinderkopf 23 sind durch eine Vielzahl von Durchgangsbolzen 25 in Abständen entlang des Umfangs befestigt.
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Ein Regelventil 2 zur Steuerung des Verdichters 1 ist in einem konkaven Abschnitt 26 benachbart zu der Ausstoßkammer 22, im Zylinderkopf 23 ausgebildet. Das Regelventil 2 weist einen Ventilteil 100 und ein elektromagnetisches Solenoid 120 in einem Ventilgehäuse auf.
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Drei geschlossene Räume
27a,
27b und
27c sind um das Ventilgehäuse herum ausgebildet. Das Ventilgehäuse bildet eine seitliche Trennwand zum Unterteilen des Innenraums des Ventilgehäuses in einer Druckerfassungskammer auf einer Stirnseite und einer Ventilkammer auf der anderen Seite aus. Eine beispielhafte Ausbildung des Regelventils ist aus der
EP 1777412 A1 zu entnehmen.
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Ein Verbindungsloch 107 erstreckt sich in radialer Richtung durch eine seitliche Trennwant. Das Verbindungsloch 107 ist immer mit der Ausstoßkammer 22 über den geschlossenen Raum 27b und eine Verbindungsbohrung 23b über einen Kommunikationspfad im Zylinderkopf 23 verbunden.
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Das Regelventil steht ausgangsseitig mit der Triebkammer 17 über ein Verbindungsloch 108 im Ventilgehäuse, über einen Raum 27c, einen Kommunikationspfad 23c im Zylinderkopf 23 und einem Verbindungskanal 16b in dem Zylinderblock 16 in Verbindung.
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Durch das Öffnen des Regelventils wird das Kühlmittel in der Druckkammer 22 der Treibkammer 17 in geregelter Menge zugeführt.
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In der 2 ist das erfindungsgemäße zusätzliche mechanische Ventil dargestellt. Wenn das Regelventil 2 öffnet, wird das Fluid dem mechanischen Ventil 200 zugeführt. Dieses mechanische Ventil 200 sitzt an einer geeigneten Stelle des Verbindungspfades zwischen Regelventil und Triebkammer 17, also entweder in einer Aussparung 201 im Zylinderblock 23 oder im Zylinderraum 16.
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Zugangsseitig hat das Ventil 200 Verbindung zu den geschlossenen Räumen 27c und/oder der Verbindungsbohrung 23c und/oder zum Verbindungsloch 108 im Regelventil 2, was in 2 angedeutet ist. Die Aussparung 201 weist einen Querschnitt A auf, in den der Boden 202 eines Ventilkolbens eingepasst ist. Der Ventilkolben 210 ist zylindrisch und wannenartig ausgestaltet und birgt in seinem Innern eine Feder 203, die sich gegen die Begrenzung 204 der Aussparung 202 abstützt.
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Im Boden 202 eines Ventilkolbens 210 ist eine Durchflussöffnung mit dem Querschnitt Q1 eingelassen. An der Auslassseite weist die Aussparung 201 eine Öffnung mit dem Querschnitt Q2 auf, wobei Q2 größer als Q1 ist. Dadurch strömt durch das Ventil 200 ein konstanter Fluss, wenn die Druckdifferenz am Kolben das Ventil nicht bewegt.
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Die zylindrische Wandung 205 des Ventilkolbens 210 dichtet im entspannten Zustand der Feder 203 und bei entsprechender Drcukdifferenz wie in 2 gezeigt einen Seitenkanal mit dem Querschnitt Q3 ab.
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Das Ventil 200 lässt immer einen gewissen Durchfluss durch den Querschnitt Q1, der hier als Drossel wirkt, zu und es wird dann aktuiert, wenn die Strömung bzw. Druckspitzen auf den Boden des Ventilkolbens auftreffen. Der Ventilkolben 210 verschiebt sich gegen den Federdruck der Feder 203 und die Wandung 205 mit der Steuerkante 208 gibt den Seitenkanal mit dem Querschnitt Q3 frei, wobei Q3 größer als Q1 ist, sodass der Durchfluss zusätzlich zum konstanten Fluss durch Q1 und Q2 deutlich erhöht wird.
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Dadurch wird der Druck im Treibraum schneller erhöht als es durch das elektrische Regelventil 2 innerhalb seines stabilen Betriebsbereiches möglich wäre, was die Dynamik erhöht. Nach dem Druckausgleich im Triebraum kehrt das mechanische Ventil wieder in seien Ruhelage zurück und der Schwenkwinkel wird wieder alleine durch das elektrische Regelventil 2 bestimmt.
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Das mechanische Ventil 200, das zusätzlich zum elektrischen Regelventil 2 in den Regelkreislauf des Verdichters eingebaut ist, ermöglicht somit eine optimierte Anpassung des Regelverhaltens mit hoher Stabilität bei einer gleichzeitigen Steigerung der Dynamik.
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Durch Modifikation der Größe des mechanischen Ventils 200, der Federstärke und dem Verhältnis der Durchflussöffnungen Q1, Q2, Q3 zueinander, lässt das Verhalten des Verdichters bei derartigen Zulauf-Druckstößen zum Triebraum beeinflussen.
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Besonders vorteilhaft ist es dabei auch, wenn das Ventil im oder am Verdichter so angeordnet ist, dass es von außen leicht zugänglich getauscht werden kann, um so individuelle Anpassungen des Verdichters an kundenspezifische Forderungen, vornehmen zu können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Verdichter
- 2
- Regelventil
- 10
- Hauptwelle
- 11
- Rotor
- 12
- Antriebsscheibe
- 13
- Verbindungsmechanismus
- 14
- Führung
- 15
- Kolben
- 16
- Zylinderblock
- 16a
- Zylinderbohrung
- 16b
- Verbindungskanal
- 17
- Triebkammer
- 18
- Vorderes Gehäuse
- 19
- Wellendichtungungselement
- 20
- Riemenscheibe
- 21
- Saugraum
- 21a
- Ansaugöffnung
- 22
- Ausstoßkammer
- 22a
- Austrittsloch
- 23
- Zylinderkopf
- 23b
- Verbindungsbohrung
- 23c
- Kommunikationspfad
- 24
- Ventilplatte
- 25
- Durchgangsbolzen
- 26
- konkave Abschnitt
- 27a, 27b und 27c
- geschlossene Räume
- 100
- Ventilteil
- 107
- Verbindungsloch eingangsseitig
- 108
- Verbindungsloch ausgangsseitig
- 120
- Solenoid
- 200
- mechanisches Ventil
- 201
- Aussparung
- 202
- Boden des Ventilkolbens
- 203
- Feder
- 204
- Begrenzung
- 205
- zylindrische Wandung
- 206
- Druckwirkfläche
- 207
- Druckwirkfläche
- 208
- Steuerkante
- 209
- Bypassöffnung
- 210
- Ventilkolben
- Q1, Q2, Q3, A
- Querschnitte
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1777412 A1 [0004, 0026]
- WO 2005098235 [0006]
