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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ventillamelle, wie sie in Pumpen oder Verdichtern eingesetzt ist, um mindestens ein Saug- oder Druckventil zu bilden.
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Aus dem Stand der Technik sind in Anpassung auf einen jeweiligen Einsatzfall diverse Ansätze zur Ausbildung von Ventillamellen bekannt. Üblicherweise handelt es sich bei Ventillamellen um dünne Platten mit fingerartig freigeschnittenen Bereichen, die federelastisch aus einer neutralen bzw. schließenden Ruhelage heraus ausgelenkt werden können. Als Rückschlagventil, das ohne sonstigen äußeren Antrieb, nur aufgrund von Druckunterschieden auf den beiden Ventilseiten in Durchlassrichtung öffnet und sich selbsttätig wieder schließt, sind derartige Ventile auch unter der Bezeichnung „Flatterventil“ bekannt. Die Ventillippe besteht aus einem elastischen Material, dessen Eigenschaften gleichzeitig die Schließung des Ventils sicherstellen. Auch müssen die Werkstoffe so steif sein, dass die Ventilfunktion bei einem Druckunterschied gegen die Öffnungsrichtung sichergestellt wird. Flatterventile werden in der Regel aus einem Federstahl oder bei geringeren Anforderungen auch aus Kunststoff hergestellt.
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Eine wirtschaftlich bedeutende Bauform von Ventillamellen findet in Verdichtern und insbesondere in die sog. Klimakompressoren Verwendung. Ein Klimakompressor ist eine Kältemaschine und sorgt im Kreislauf einer Klimaanlage beispielsweise eines Kraftfahrzeugs für die Verdichtung eines gasförmigen Kältemittels. Der Klimakompressor wird entweder über eine Verbrennungskraftmaschine bzw. oder durch mindestens einen Elektromotor angetrieben.
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In Klimaanlagen von Kraftfahrzeugen wird mit dem sog. Taumelscheibenkompressor eine spezielle Bauform von Verdichtern aufgrund seiner Dauerhaftigkeit, relativen Laufruhe und Schwingungsarmut sehr häufig verwendet. In einem Taumelscheibenkompressor wird eine Drehbewegung einer Antriebsachse auf eine Taumelscheibe übertragen. Die axiale Bewegung der Taumelscheibe wird über einen nicht mitdrehenden Ring dadurch in axial oszillierende Kolbenbewegungen übertragen, dass an diesem Ring Pleuel mehrerer kleiner Kolben befestigt sind, die jeweils in separaten Zylindern eines Zylinderblocks bewegt werden. Die einzelnen kleinen Zylinder sorgen über eine rückwärtige Ventilplatte für einen Druckaufbau. Dazu weist die Ventilplatte mindestens eine sog. Ventillage auf, bei einseitig wirkenden Taumelscheibenkompressoren sogar zwei Ventillagen auf, also Einlass- und Auslass-Ventile. Vor dem Hintergrund der Verwendung von CO2 als Kühlmittel in Klimaanlagen von Kraftfahrzeugen werden an die Ventillagen in Klimakompressoren noch härtere Anforderungen in Bezug auf die Betriebsdrücke und damit die Dichtigkeit gestellt. Bei einer Umdrehung einer Antriebswelle eines Klimakompressors werden also beide Ventile jedes der je nach Bauform 5 bis etwa 10 Zylinder einmal geöffnet und geschlossen. Eine Schwingungs- und Geräuschanregung beträgt damit stets ein Mehrfaches der Antriebsfrequenz. Auch niedrigere Drehzahlen führen so zu höherfrequenten Geräuschen oder Schwingungen.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Ventillamellen insbesondere für einen Einsatz in Taumelscheibenkompressoren zur Minderung eines Betriebsgeräuschs und einer Schwingungsanregung bei einfacher Bauform weiterzubilden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass die Ventillamelle oberflächlich bzw. mindestens an einer Oberfläche mit einer dämpfenden Substanz mindestens in einem Kontaktbereich der Ventillamelle mit einer Anlagefläche bzw. einem Ventilsitz mit einer Beschichtung versehen ist.
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Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Demnach ist in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung als Beschichtung ein Elastomer vorgesehen. Vorzugsweise wird ein geschäumtes Elastomer in einer ebenen Schicht verwendet. Besonders bevorzugt ist ein poröses Elastomer eingesetzt, das zu der Gruppe der fluorierten Elastomere gehört, insbesondere ein Fluorkautschuk bzw. kurz FPM bzw. FKM. Diese Stoffgruppe weist vorteilhafterweise eine hohe Beständigkeit gegen Chemikalien und höhere Temperaturen auf, wie auch eine gute Tieftemperaturflexibilität und eine gute Haftung an Metallen. Zudem ist unter Verwendung eines Quellmittels die Herstellung einer geschäumten Beschichtung möglich. Damit kann ein Federstahlblech mit einer FPM-Beschichtung versehen und insbesondere in einem Stanzprozess durch Freischneiden mit Ventilfingern versehen werden. Eine derartige Ventillamelle weist einen Arbeitstemperaturbereich von ca. –40° bis etwa 180° C auf.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bildet die Beschichtung der Ventillamelle zugleich auch eine druck- und gasdichte Abdichtung zu angrenzenden Bauteilen. Damit kann auf eine separat herzustellende und einzubauende Dichtungslage verzichtet werden.
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In einer Weiterbildung der Erfindung ist die Anlagefläche als Ventilplatte mit einer Vielzahl von Ventilsitzen ausgebildet. Die Ventillamelle ist vorteilhafterweise als Stanzteil ausgeführt, so dass in einem Arbeitsschritt ohne weitere separate einzelne Montageschritte gleich mehrere Ventilsitze mit einer Ventillamelle versehen werden können.
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Vorteilhafterweise ist die Ventillamelle als Stanz-Biegeteil mit mindestens einer Prägung ausgeführt. Diese Prägung ist insbesondere als mindestens eine geschlossene Dicht-Sicke ausgeführt. Da im Zuge eines Stanz-Biege- und Prägeverfahrens auch die Beschichtung funktionsfähig erhalten bleibt, wird durch eine Prägung der vorstehend beschriebenen Art eine Dichtigkeit auch in Bereichen höherer Drücke sichergestellt. Bei einer Anwendung in Ventillamellen wird vorzugsweise dabei darauf geachtet, dass die Sicken stets zu der Ventilplatte hin orientiert sind. Vorteilhaft ist auch, dass Durchführungen von Schraubbolzen etc. zur Abdichtung verschiedener Druckbereiche gegeneinander im Wesentlichen kreisförmig durch Sicken in der jeweiligen Ventillamelle umschlossen werden.
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Vorteilhafterweise ist der Ventillamelle in einem zusammengebauten Zustand eine Anlagefläche und/oder ein Anschlag oder ein Anschlagselement mit einer Beschichtung zugeordnet. Die beweglichen Teile bzw. Finger der Lamellen kommen zur Geräuschminderung also mit einer dämpfenden Beschichtung in Kontakt. Diese Maßnahme wird zur Geräuschminderung in einer definiert vorgegebenen Öffnungsstellung ergriffen.
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Besonders bevorzugt ist gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, dass die Ventillamelle beidseitig mit einer Beschichtung versehen ist. Damit ist eine dauerhafte und deutliche Geräuschminderung bei einem Anlegen des mindestens einen Ventilfingers der Ventillamelle an Anschlägen in beiden möglichen Endstellungen realisierbar. Zudem werden an beiden Oberflächen der Ventillamelle separate Dichtungslagen eingespart und der Aufbau bzw. die Fertigung werden zusätzlich vereinfacht.
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Nachfolgend werden weitere Merkmale und Vorteile erfindungsgemäßer Ausführungsformen unter Bezugnahme auf Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in schematischer Darstellung:
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1a und 1b: jeweils einen Schnitt durch eine Ventilplatte mit einer Saug- oder Hochdruckventillamelle gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung in einer geschlossenen und geöffneten Stellung;
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2: eine Explosionsdarstellung einer Ventilplatte eines einseitig wirkenden Taumelscheibenkompressors mit Saug- und Hochdruckventillamellen gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel mit einem Aufbau gemäß 1a, 1b;
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3: eine Explosionsdarstellung einer gemäß 2 mit Saug- und Hochdruckventillamellen nach einem zweiten Ausführungsbeispiel und
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4: eine Explosionsdarstellung eines aus dem Stand der Technik bekannten einseitig wirkenden Taumelscheibenkompressors mit einer Ventilplatte, Saug- und Hochdruckventillamellen und jeweils benachbart liegenden Dichtungslagen.
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Über die verschiedenen Abbildungen hinweg werden für gleiche Elemente stets die gleichen Bezugszeichen verwendet. Ohne Beschränkung des Anwendungsbereichs erfindungsgemäßer Vorrichtungen wird nachfolgend nur auf einen Einsatz von Ventillamellen in Verdichtern und insbesondere in die sog. Klimakompressoren eingegangen.
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4 zeigt eine Explosionsdarstellung eines aus dem Stand der Technik im Bereich der Automobilindustrie bekannten einseitig wirkenden Taumelscheibenkompressors 1. In einem Gehäuse-Unterteil U ist eine hier nicht weiter dargestellte Welle mit einer Taumelscheibe angeordnet, über die Kolben durch jeweilige Pleuel-Stangen angetrieben werden. Diese Kolben laufen einem jeweilig eingestellten Neigungswinkel der Taumelscheibe entsprechend zwischen zwei Totpunkten in Zylindern C, die in einem Zylinderblock Z vorgesehen sind. Über eine Dichtung D ist der Zylinderblock Z gegenüber dem Gehäuse-Unterteil U gasdicht abgedichtet. An einem dem Gehäuse-Unterteil U gegenüberliegenden Ende des Zylinderblocks Z ist ein Deckel H vorgesehen, der durch Schraubbolzen S durch den Zylinderblock Z hindurch mit dem Gehäuse-Unterteil U zusammengeschraubt wird.
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Mit Blick auf nachfolgend beschriebene Ausführungsbeispiele wird nur auf den in der gestrichelt eingezeichneten Linie umschlossenen Teilbereich des Taumelscheibenkompressors 1 mit einer Ventilplatte 2, einer Saugventillamelle 3 und einer Hochdruckventillamelle 4 und den Ventillamellen 3, 4 jeweils benachbart liegenden Dichtungslagen 5 eingegangen werden.
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Ein Klimakompressor 1 der vorstehend beschriebenen Art wird i.d.R. mit der Drehzahl des entsprechenden Fahrzeuges angetrieben. Dies wiederrum bedeutet, dass sich jedes der zahlreichen zwischen Ventilplatte 2, Saugventillamelle 3 und Hochdruckventillamelle 4 gebildeten Ventile in einer Geschwindigkeit entsprechend einer aktuellen Motordrehzahl öffnet und schließt. Je Motorumdrehung werden so alle Ventile, also Saugventil und Hochdruckventil, an jedem Zylinder C des Zylinderblocks Z einmal geöffnet und auch wieder geschlossen. Bei jedem Öffnen und Schließen entstehen akustisch wahrnehmbare Geräusche und Vibrationen, welche in der Materialpaarung Metall auf Metall zwischen den Ventillagen bzw. Ventillamellen 3, 4 und der Ventilplatte 2 mindestens im Bereich von Ventilsitzen 6 begründet sind. Die durch diesen direkten Kontakt erzeugten Geräusche und Vibrationen verursachen zudem einen Materialverschleiß an den Bauteilen mindestens im Bereich eines jeden Ventils.
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Als Prinzipdarstellung zeigt 1a einen Schnitt durch eine Ventilplatte 2 mit einer Saug- oder Hochdruckventillamelle 3, 4 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, wie sie in einer Pumpe oder einem Verdichter eingesetzt werden kann. Die Ventillamelle 3, 4 besteht aus einem Metallblech, das an beiden Oberflächen O mit einer Beschichtung 7 versehen ist. In einer dargestellten geschlossenen Stellung, 1a, steht die Ventillamelle 3, 4 und auch ein fingerartig ausgebildeter beweglicher Teil der Ventillamelle 3, 4, auch als Flatterventil bezeichnet, in direktem oberflächlichem Kontakt mit der Ventilplatte 2 im Bereich des Ventilsitzes 6 und bewirkt hier eine gasdichte Abdichtung. Diese Abdichtung wird durch die Beschichtung 7 der Oberfläche O noch verbessert. Der fingerartig ausgebildete bewegliche Teil der Ventillamelle 3, 4 ist durch eine in dieser Darstellung nur ansatzweise erkennbare i.d.R. U-förmige Frei- bzw. Ausstanzung 8 in einem ebenen, an beiden Oberflächen O mit einer Beschichtung 7 versehenen Federstahlblech 11 gebildet worden.
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1b stellt den Ausschnitt gemäß 1a bei geöffnetem Ventil dar. Hier hat sich ein Kolben K in Richtung eines in 1a gepunktet eingezeichneten Pfeils bewegt, so dass nun Flug in den Zylinder C hinein eingesaugt wird. Dabei ist der bewegliche Teil der Ventillamelle 3, 4 soweit von dem Ventilsitz 6 abgehoben worden, dass ein Endbereich 9 des beweglichen Teils der Ventillamelle 3, 4 an einem Anschlag 10 anliegt. Hierdurch ist ein Bewegungsbereich des beweglichen Teils der Ventillamelle 3, 4 soweit definiert begrenzt, dass einerseits ausreichend Fluid durch das geöffnete Ventil hindurchtreten kann, andererseits aber auch ein sehr schnelles Schließen des durch den Endbereich 9 des beweglichen Teils und den Ventilsitz 6 gebildeten Ventils möglich ist.
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In beiden Abbildungen sind aber auch direkt an die Ventillamelle 3, 4 angrenzende Bereiche anschließender Bauteile B noch mit abgebildet. Hier läuft die aus einem Federstahlblech 11 mit Beschichtungen 7 an beiden Oberflächen O versehene Ventillamelle 3, 4 weiter. Das hat zur Folge, dass die Beschichtungen 7 nun eine beidseitig wirkende Dichtung 12 zu den angrenzenden Bauteilen B hin bewirken, ohne dass hierzu Dichtungen als separate Bauteile vorzusehen wären.
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2 zeigt eine Explosionsdarstellung einer in 4 durch Einkreisung hervorgehobenen Ventileinheit eines einseitig wirkenden Taumelscheibenkompressors 1 mit Saug- und Hochdruckventillamellen gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Die Darstellung ist gegenüber der von 4 um eine die vorstehend beschriebenen Elemente zu einem Ventil-Dichtungspaket P verbindende Verbindungsschraube V mit zugehöriger Mutter M sowie ein sternförmiges Anschlagelement zur Begrenzung der Öffnungsstellung der beweglichen Endbereiche 9 der Hochdrucklamelle 4 vervollständigt worden. Hier weisen die Saugventillamelle 3 sowie die Hochdruckventillamelle 4 jeweils eine Beschichtung 7 auf, die in einer Zusammenbaulage in Kontakt mit der Ventilplatte 2 stehen. Damit wird ein Schließen der jeweiligen Ventile durch Anlegen eines Endbereichs 9 des beweglichen Teils der jeweiligen Lamelle 3, 4 mechanisch gedämpft. Eine Geräuschbelastung wird damit gesenkt, wie auch ein Verschleiß um einen Ventilsitz 6 herum.
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Ferner ist in der Abbildung von 2 ein Zylinder C eines nicht weiter dargestellten Zylinderblocks Z durch eine gepunktete Linie im Bereich der Dichtungslage 5 unter der Saugdrucklamelle 3 angedeutet. Eine ungefähr halbkreisförmige zusätzliche Freisparung an der Dichtungslage 5 kennzeichnet einen Bereich, in dem der Endbereich 9 des beweglichen Teils der Ventillamelle 3 über einen freien Durchmesser des Zylinders C hinaus vorsteht, um in einer geöffneten Stellung an einer entsprechenden Ausnehmung am Zylinderblock Z anzuliegen. Diese nicht weiter dargestellte Anlage im Zylinderblock Z entspricht dem Anschlag 10, wie vorstehend mit Bezug auf die Abbildung der 1a und 1b im Detail auch mit Blick auf die Funktion der Beschränkung einer Öffnungsbewegung beschrieben. In Abwandlung der Ausführungsform der 1a und 1b kann eine Beschichtung 7‘ in hier nicht weiter dargestellter Art und Weise auch im Bereich des Anschlags 10 in der Ausnehmung am Zylinderblock Z vorgesehen sein, um eine geräuschdämpfende Wirkung zu erzielen.
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Ferner ist in 2 als mögliche Erweiterung auch noch eine Beschichtung 7‘ an dem sternförmigen Anschlagelement 13 vorgesehen. Das Anschlagelement 13 begrenzt eine Öffnungsbewegung im Bereich der Hochdrucklamelle 4. Die angedeutete Beschichtung 7‘ an diesem Stanz-Biegeteil wirkt damit bei jedem Öffnen eines durch die Hochdrucklamelle 4 gebildeten Ventils als Geräuschdämpfer, da in der Anlage des Endbereichs 9 des beweglichen Teils der Ventillamelle 4 mit dem Anschlagelement 13 sonst keine Beschichtung vorgesehen worden ist.
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3 stellt eine Explosionsdarstellung einer Anordnung mit Saug- und Hochdruckventillamellen gemäß 2 nach einem zweiten Ausführungsbeispiel dar, wobei hier ein prinzipieller Aufbau gemäß 1a, 1b verwirklicht worden ist. Sowohl die Hochdrucklamelle 4, als auch die Saugventillamelle 3 sind als Stanzteile aus Federstahlblech 11 hergestellt und weisen dementsprechend an beiden Oberflächen O Beschichtungen 7 auf. Die Beschichtung 7 aus einem porösem Fluorkautschuk ist neben einer mechanischen Dämpfung eines Anschlags eines Endbereichs 9 des beweglichen Teils der Ventillamelle 3 oder 4 an der Ventilplatte 2 im Bereich eines jeweiligen Ventilsitzes 6 sowie an einem Anschlagelement 13 auch in der Lage, Kaltleckagen durch Ausgleich von Unebenheiten oder Oberflächenrauigkeiten zu minimieren. Im Bereich höherer Drücke wird in diesem Ausführungsbeispiel jedoch auf die Verwendung von Dicht-Sicken 14 zurückgegriffen. Diese sind hier als zusätzliche Dichtungsmaßnahme in dem Ausführungsbeispiel von 3 sowohl an der Saugventillamelle 3, als auch an der Hochdruckventillamelle 4 in mehrfach und in unterschiedlicher Ausführung vorgesehen. So sind in der Saugventillamelle 3 sowohl Sicken 14 als ungefähr radialer Einfassung der Außenkontur der Saugventillamelle 3 in der Funktion einer Gehäuse-Dichtsicke vorgesehen, als auch als Hochdruckdichtungen im Bereich der Ventile über den darunter liegenden Zylindern C des Zylinderblocks Z. Im Bereich der Hochdruckventillamelle 4 ist ebenfalls ein nahe dem Außenradius bzw. einer Außenkontur verlaufender radial geschlossener Sicken-Ring 14 als Gehäuse-Dichtsicke vorgesehen. Im Bereich der Ventilsitze 6 mit dem Auslass des auf Hochdruck verdichteten Fluids ist eine gemeinsame Sickendichtung 14 mit ungefähr sternförmigen Verlauf vorgesehen, der alle sieben Ventilauslässe umschließt. Schließlich ist im Bereich einer zentralen Ausnehmung zur Durchführung der Verbdingungsschraube V eine zusätzliche im Wesentlichen kreisförmig geschlossene Sicke vorgesehen, um den Hochdruckbereich gegenüber niederen Druckbereichen entsprechend abzudichten. Durch die Sicken 14 können damit separat vorzusehende Dichtungen 12 oder Dichtungslagen 5 auf beiden Seiten der Ventillamellen 3, 4 entfallen.
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Im Bereich der Saugventillamelle 3 ist in der 3 zudem eine Form einer Frei- bzw. Ausstanzung 8 um einen Endbereich 9 des beweglichen Teils der betreffenden Ventillamelle dargestellt. Hier ist in Anpassung auf eine volumenoptimierte Nutzung eines jeweiligen Zylinderraums ein nicht genutztes Material der Saugdrucklamelle 3 bis zum Angrenzen an eine radial verlaufende Sicke 14 ausgestanzt worden, wobei die übrigen Endbereiche 9 eine lediglich U-förmige Frei- beziehungsweise Ausstanzung 8 ohne diese Maßnahme einer Optimierung eines nutzbaren Zylindervolumens aufweisen.
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Mit den vorstehenden Maßnahmen ist nun mit dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 und einer zweiseitigen Beschichtung der Ventillamellen 3, 4 eine gegenüber der Abbildung von 4 deutlich vor allen Dingen durch die Reduzierung der beteiligten Einzelelemente durch die entfallenden separaten Dichtungslagen 5 vereinfachte Bauform beschrieben worden, zumal nun mindestens die Sicken 14 die Funktion von Dichtungen 12 übernehmen.
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Zudem weist das Ausführungsbeispiel von 3 gegenüber dem gemäß 2 durch die beidseitige mechanische Bedämpfung noch den Vorteil einer weiter verminderten akustischen Belastung und Schwingungsanregung beim normalen Betrieb bei zugleich gemindertem Aufwand auf. Gegenüber der vorstehend beschriebenen, erweiterten Bauform gemäß 2 kann hier nun durch die zweite Beschichtung 7 an der Hochdrucklamelle 4 eine Beschichtung 7‘ an dem Anschlagelement 13 entfallen. Damit ist der zu 3 beschriebene Aufbau in der Herstellung gegenüber dem von 2 noch vereinfacht worden, wobei mindestens die gleichen geräuschdämpfenden Eigenschaften bei hoher Druckdichtigkeit erzielt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Taumelscheibenkompressor
- 2
- Ventilplatte
- 3
- Saugventillamelle
- 4
- Hochdruckventillamelle
- 5
- Dichtungslage
- 6
- Ventilsitz
- 7
- Beschichtung
- 7‘
- Beschichtung an dem Anschlagelement 13
- 8
- Frei- bzw. Ausstanzung
- 8‘
- volumenoptimierte Ausstanzung
- 9
- Endbereich eines beweglichen Teils d. Ventillamelle 3, 4
- 10
- Anschlag
- 11
- Federstahlblech
- 12
- Dichtung
- 13
- Sternförmiges Anschlagelement mit hochgezogenen Enden
- 14
- Dicht-Sicke
- B
- angrenzendes Bauteil
- C
- Zylinder
- D
- Dichtung
- H
- Gehäuse-Deckel
- K
- Kolben
- M
- Mutter
- O
- Oberfläche der Ventillamelle 3, 4
- P
- Ventil-Dichtungspaket
- S
- Schraubbolzen
- U
- Gehäuse-Unterteil
- V
- Verbindungsschraube
- Z
- Zylinderblock
