DE102018103610B3

DE102018103610B3 - Vorrichtung zum Dämpfen von Druckpulsationen für einen Verdichter eines gasförmigen Fluids

Info

Publication number: DE102018103610B3
Application number: DE102018103610.8A
Authority: DE
Inventors: Steffen Koch; Philipp Benjack; Philip Gallisch
Original assignee: Hanon Systems Corp
Current assignee: Hanon Systems Corp
Priority date: 2018-02-19
Filing date: 2018-02-19
Publication date: 2019-02-14
Anticipated expiration: 2038-02-20
Also published as: US20190257301A1; KR102146670B1; CN110173414A; KR20190100054A; US10935015B2; CN110173414B

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zum Dämpfen von Druckpulsationen für einen Verdichter eines gasförmigen Fluids, insbesondere eines Kältemittels. Die Vorrichtung weist ein Gehäuse (2), ein Kolbenelement (6) sowie ein Federelement (8) auf. Das Gehäuse (2) ist eine Kammer (3) umschließend, mit einer Einlassöffnung (4) und einer Auslassöffnung (5) ausgebildet. Das über das Federelement (8) am Gehäuse (2) abgestützt gelagerte Kolbenelement (6) ist innerhalb der Kammer (3), die Kammer (3) in ein erstes Kammervolumen (3a) und ein zweites Kammervolumen (3b) unterteilend, sowie in einer Bewegungsrichtung (11) zwischen einer ersten Endstellung und einer zweiten Endstellung beweglich angeordnet. Das Bewegen des Kolbenelements (6) bewirkt ein Verändern der Kammervolumina (3a, 3b) und eines Strömungsquerschnitts der Auslassöffnung (5). Das Kolbenelement (6) ist als ein Hohlzylinder mit zwei zumindest teilweise geschlossenen Stirnseiten (7, 13) ausgebildet. Dabei weist das Kolbenelement (6) mindestens jeweils eine als eine fluidtechnische Verbindung zwischen einem Kammervolumen (3a, 3b) und einem von einer Wandung des Kolbenelements (6) umschlossenen Volumen ausgebildete Durchgangsöffnung (14, 15) auf.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Dämpfen von Druckpulsationen für einen Verdichter eines gasförmigen Fluids, insbesondere eines Kältemittels. Die Vorrichtung weist ein Gehäuse, ein Kolbenelement und ein Federelement auf. Das Gehäuse ist eine Kammer umschließend, mit einer Einlassöffnung und einer Auslassöffnung ausgebildet. Das über das Federelement am Gehäuse abgestützt gelagerte Kolbenelement ist innerhalb der Kammer, die Kammer in ein erstes Kammervolumen und ein zweites Kammervolumen unterteilend, sowie in einer Bewegungsrichtung zwischen einer ersten Endstellung und einer zweiten Endstellung beweglich angeordnet. Das Bewegen des Kolbenelements bewirkt ein Verändern der Kammervolumina und eines Strömungsquerschnitts der Auslassöffnung.
Aus dem Stand der Technik bekannte Verdichter für mobile Anwendungen, insbesondere für Klimatisierungssysteme von Kraftfahrzeugen, zum Fördern von Kältemittel durch einen Kältemittelkreislauf, im Weiteren auch als Kältemittelverdichter bezeichnet, werden unabhängig vom Kältemittel oft als Kolbenverdichter mit variablem Hub beziehungsweise mit variablem Hubvolumen, auch als Verdrängung bezeichnet, oder als Scrollverdichter ausgebildet. Speziell bei über einen Riemen und eine Riemenscheibe angetriebenen Kältemittelverdichtern stellt sich die Drehzahl über die Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs, insbesondere über die Drehzahl des Antriebsmotors, ein. Die Kolbenverdichter mit variablem Hub gewährleisten einen gleichmäßigen Betrieb des Klimatisierungssystems, da der Verdichter unabhängig von der Drehzahl des Antriebsmotors eine erforderliche konstante oder variable Leistung aufweist.
Herkömmliche mechanische Verdichter sind zudem mit einer Vorrichtung zum Dämpfen von Druckpulsationen ausgebildet, um insbesondere Druckpulsationen zu reduzieren, welche beim Betrieb des Verdichters mit geringer Last, das heißt mit einem geringen zu fördernden Massenstrom, auftreten. Die Funktion der Vorrichtung zum Dämpfen von Druckpulsationen besteht dabei im Verändern beziehungsweise im Anpassen einer Querschnittsänderung einer Ansaugöffnung abhängig von dem vom Verdichter zu fördernden Massenstrom. Mit der Vorrichtung wird beispielsweise der Durchmesser eines Einlasses der Ansaugöffnung variiert, insbesondere eine sprunghafte Veränderung des Strömungsquerschnitts für den Betrieb mit geringem Massenstrom erzeugt. Die sprunghafte Veränderung des Strömungsquerschnitts bewirkt ein Erhöhen eines Druckpulsationsverlustes, was wiederum die Druckpulsation reduziert, welche durch die Kältemittelleitung des Kältemittelkreislaufs in das Fahrzeuginnere übertragen wird und Geräusche erzeugt. Für einige Anwendungen ist der Übertragungsverlust jedoch nicht ausreichend.
In der US 8,366,407 B2 wird eine Vorrichtung zum Reduzieren der Druckpulsation in einem Verdichter eines Kältemittelkreislaufs mit variabler Verdrängung offenbart. Die als ein Dämpferelement mit variierendem Volumen ausgebildete Vorrichtung weist einen Strömungsdurchgang und ein Steuerventil auf. Das Steuerventil ist mit einem Ventilgehäuse, einem Schieberventil mit einer Durchgangsbohrung und einer Dämpfungskammer ausgebildet. Die Dämpfungskammer ist über die Durchgangsbohrung mit dem Kältemittelkreislauf verbunden. Die effektive Querschnittsfläche und die effektive Länge der Durchgangsbohrung werden auf der Grundlage der Frequenz einer spezifischen Pulsation des Kältemittelgases und des Volumens der Dämpfungskammer zum Zeitpunkt der Entwicklung der spezifischen Pulsation derart bestimmt, dass während der Entwicklung der spezifischen Pulsation innerhalb der Dämpfungskammer ein Resonanzeffekt eines Helmholtz-Resonators auftritt.
Bei der Ausbildung der Vorrichtung kann es jedoch zu einem Einschluss von im Kältemittelkreislauf zirkulierenden Schmieröls für den Verdichter kommen. Die Vorrichtung stellt folglich eine Ölfalle dar, wobei das im Resonatorvolumen angesammelte Schmieröl das Resonanzverhalten der Vorrichtung beeinflusst.
Herkömmliche Vorrichtungen zum Reduzieren der Druckpulsation eines Verdichters schließen und öffnen ausschließlich bei Erreichen eines bestimmten Grenzwertes des Massenstroms abhängig von den Dämpfereigenschaften, wie einer Federkonstante und der Größe einer Dämpferstirnfläche, um Schwankungen des Massenstroms und damit verbundene Druckspitzen, insbesondere bei einem Betrieb des Verdichters mit geringen und minimalen Lasten, zu verringern. Das Vorsehen eines Dämpfers mit einem veränderlichen Volumen führt während des Betriebs des Verdichters zu einem variierenden Dämpfungsverhalten, welches vom Zielfrequenzbereich abweichen und somit keine Verringerung der Pulsation bewirken kann. Ein Helmholtz-Resonator beruht auf einem Wirkprinzip mit einem nichtdurchströmten Nebenvolumen und beansprucht zudem zusätzlichen Bauraum.
Aus der US 6,257,848 B1 geht ein Verdichter zum Komprimieren eines gasförmigen Fluids mit einem in einem Ansaugdurchgang ausgebildeten Steuerventil hervor. Das Steuerventil ist zum Steuern einer offenen Fläche des Ansaugdurchgangs, insbesondere einem Strömungsquerschnitt, welcher zum Zuführen des gasförmigen Fluids in den Verdichter vorgesehen ist, ausgebildet. In einem ersten Zustand, in welchem das gasförmige Fluid einen geringen zu fördernden Massenstrom durch den Strömungsquerschnitt des Ansaugdurchgangs aufweist, wird der Strömungsquerschnitt reduziert. Andererseits wird in einem zweiten Zustand, in welchem das gasförmige Fluid einen hohen zu fördernden Massenstrom durch den Strömungsquerschnitt des Ansaugdurchgangs aufweist, der Strömungsquerschnitt vergrößert. Der Verdichter weist zudem eine mit dem Ansaugdurchgang verbundene Ansaugkammer, eine Einlassöffnung und eine zwischen dem Ansaugdurchgang und der Einlassöffnung ausgebildete Ventilkammer auf. Das Steuerventil ist in der Ventilkammer beweglich angeordnet. Zwischen der Ventilkammer und der Ansaugkammer ist zudem ein Bypass ausgebildet.
Die Kammern und Strömungskanäle, insbesondere die Strömungsquerschnitte der Öffnungen und des Bypasses, sind dabei nicht auf bestimmte Frequenzbereiche abgestimmt, um in diesen Frequenzbereichen einen spezifischen Übertragungsverlust und folglich einen Dämpfungseffekt zu bewirken. Speziell durch die ausgeprägte Länge des Strömungsweges durch den Bypass entsteht ein enormer Druckabfall, was eine Verminderung der Leistung des Verdichters bewirkt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Verdichter mit einer Vorrichtung zum Dämpfen von Druckpulsationen bereitzustellen, welche unabhängig von einem Grenzwert des Massenstroms auf bestimmte Frequenzbereiche abgestimmt ist, in denen ein spezifischer Übertragungsverlust und folglich ein bestimmter Dämpfungseffekt bewirkt wird, ohne dass dabei die Verdichterleistung signifikant beeinflusst wird. Die Druckverluste sollen minimal sein. Mit dem Dämpfen der Druckpulsationen sollen unter anderem Geräuschemissionen vermieden, welche den Komfort, beispielsweise für Insassen eines Fahrgastraums beeinflussen, und die Lebensdauer des Verdichters maximiert werden. Der Verdichter soll eine einfache Konstruktion aus einer minimalen Anzahl an Komponenten bei minimalem Platzbedarf aufweisen. Zudem sollen die Kosten für die Herstellung, die Wartung, die Montage und den Betrieb minimal sein.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände mit den Merkmalen der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Die Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Dämpfen von Druckpulsationen für einen Verdichter eines gasförmigen Fluids, insbesondere eines Kältemittels, gelöst. Die Vorrichtung weist ein Gehäuse, ein Kolbenelement und ein Federelement auf. Das Gehäuse ist eine Kammer umschließend, mit einer Einlassöffnung und einer Auslassöffnung ausgebildet. Das Kolbenelement ist innerhalb der Kammer, die Kammer in ein erstes Kammervolumen und ein zweites Kammervolumen unterteilend, sowie in einer Bewegungsrichtung zwischen einer ersten Endstellung und einer zweiten Endstellung beweglich derart angeordnet, dass das Bewegen des Kolbenelements die Kammervolumina und einen Strömungsquerschnitt der Auslassöffnung steuert. Mit dem Bewegen des Kolbenelements werden die Größen beziehungsweise Abmessungen der Kammervolumina und des Strömungsquerschnitts der Auslassöffnung variiert. Das Kolbenelement ist über das Federelement am Gehäuse abgestützt gelagert.
Nach der Konzeption der Erfindung ist das Kolbenelement als ein Hohlzylinder mit zwei zumindest teilweise geschlossenen Stirnseiten ausgebildet. Dabei weist das Kolbenelement mindestens jeweils eine als eine fluidtechnische Verbindung zwischen einem Kammervolumen und einem von einer Wandung des Kolbenelements umschlossenen Volumen ausgebildete Durchgangsöffnung auf.
Die Mantelfläche des Kolbenelements ist vorteilhaft vollflächig geschlossen. Alternativ wird die Mantelfläche mittels der Wandung des Gehäuses der Vorrichtung abgedichtet.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist jede Stirnseite des Kolbenelements mit mindestens jeweils einer Durchgangsöffnung ausgebildet.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist das Kolbenelement die Form eines Kreiszylinders auf. Die bevorzugt in den Stirnseiten vorgesehenen Durchgangsöffnungen sind vorteilhaft jeweils als Öffnungen mit einem kreisrunden Querschnitt ausgebildet.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist das die Form eines Kreiszylinders mit in den Stirnseiten vorgesehenen Durchgangsöffnungen mit kreisrundem Querschnitt aufweisende Kolbenelement nach folgender Formel ausgelegt: $D_{T L} = 10 log (\frac{{(σ_{A} + σ_{E})}^{2} {cos}^{2} (k L) + {(1 + σ_{A} σ_{E})}^{2} {sin}^{2} (k L)}{4 σ_{A} σ_{E}})$
mit $σ_{A} = \frac{S}{S_{A}} und σ_{E} = \frac{S}{S_{E}} und k = \frac{ω}{c} = \frac{2 π}{λ} .$
(Quelle: Munjal ML. Acoustics of ducts and mufflers. New York: Wiley-Interscience; 1987). Dabei entsprechen D_TL einem Durchgangsdämpfungsmaß des Kolbenelements und somit der Dämpfung im geschlossenen Zustand des Strömungsquerschnitts der Auslassöffnung, L einer Länge eines inneren Volumen des Kolbenelements, S einer Querschnittsfläche des inneren Volumens des Kolbenelements sowie S_E einer Querschnittsfläche einer Durchgangsöffnung zum Einströmen in das Kolbenelement und SA einer Querschnittsfläche einer Durchgangsöffnung zum Ausströmen aus dem Kolbenelement.
Mit der Integration der Vorrichtung in den Verdichter sowie deren gezielter Auslegung, insbesondere des definierten fixen Volumens des Kolbenelements sowie der Durchgangsöffnungen, werden Druckpulsationen des Verdichters, speziell bei gezielten Störfrequenzen, gedämpft.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass die Einlassöffnung in einer die Kammer an einer ersten Stirnseite abschließenden Wandung ausgebildet ist. Die Auslassöffnung kann an einer die Kammer an einer Seitenfläche, insbesondere an einer Mantelfläche, abschließenden Wandung vorgesehen sein.
Die Bewegungsrichtung des Kolbenelements ist vorteilhaft entlang einer Längsachse des zylinderförmigen Kolbenelements ausgerichtet. Dabei ist eine erste Stirnseite des Kolbenelements bevorzugt zur Einlassöffnung der Vorrichtung hin ausgerichtet angeordnet.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass das Federelement als eine Schraubenfeder, insbesondere als eine Druckfeder, ausgebildet ist. Dabei ist das Federelement mit einer Längsachse bevorzugt auf einer Längsachse des Kolbenelements angeordnet.
Ein erstes Ende des Federelements ist vorteilhaft an einer die Kammer an einer zweiten Stirnseite abschließenden Wandung anliegend angeordnet. Ein zweites, zum ersten Ende distal ausgebildetes Ende des Federelements ist bevorzugt in Richtung der Einlassöffnung hin ausgerichtet und an einer Außenseite des Kolbenelements, insbesondere an einer zweiten Stirnseite des Kolbenelements, anliegend angeordnet.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Kolbenelement in der ersten Endstellung in einem minimalen Abstand zur Einlassöffnung derart angeordnet, dass der Strömungsquerschnitt der Auslassöffnung geschlossen ist sowie das erste Kammervolumen einen minimalen und das zweite Kammervolumen einen maximalen Wert aufweisen. Ein direkter Strömungspfad zwischen der Einlassöffnung und Auslassöffnung der Vorrichtung ist verschlossen.
In der zweiten Endstellung ist das Kolbenelement vorteilhaft in einem maximalen Abstand zur Einlassöffnung derart angeordnet, dass der Strömungsquerschnitt der Auslassöffnung vollständig geöffnet ist sowie das erste Kammervolumen einen maximalen und das zweite Kammervolumen einen minimalen Wert aufweisen. Der direkte Strömungspfad zwischen der Einlassöffnung und Auslassöffnung der Vorrichtung ist vollständig freigegeben.
Die Auslassöffnung der Vorrichtung ist bevorzugt mit einem Ansaugbereich des Verdichters verbunden. Die Vorrichtung ist sowohl für elektrisch angetriebene als auch für mechanisch angetriebene Verdichter vorgesehen.
Die Einlassöffnung ist vorteilhaft als Verbindung zu einer Niederdruckseite eines Kältemittelkreislaufs ausgebildet.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Dämpfen von Druckpulsationen wird bevorzugt in einem Kältemittelverdichter eines Kältemittelkreislaufs, insbesondere eines Klimatisierungssystems eines Kraftfahrzeugs, verwendet.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Dämpfen von Druckpulsationen für einen Verdichter weist zusammenfassend diverse Vorteile auf:

- Einsatz eines speziell abgestimmten Reflexionsschalldämpfers als Dämpfungselement, anstelle eines Helmholtz-Resonators,
- Reduzieren von Druckpulsationen, welche unabhängig von einem Grenzwert des geförderten Massenstroms auf bestimmte Frequenzbereiche abgestimmt sind, dadurch
- werden in einem großen Bereich eines zu fördernden Massenstroms, in welchem die Vorrichtung geschlossen sein und als Reflexionsschalldämpfer wirken kann, auch mittels des Federelements ein spezifischer Übertragungsverlust und ein bestimmter Dämpfungseffekt bewirkt, um die Druckpulsation zu reduzieren,
- minimale Druckverluste infolge kurzer Strömungswege durch die Vorrichtung sowie minimaler Einfluss auf die im Betrieb aufzunehmende Leistung des Verdichters,
- Vermeiden von Geräuschemissionen, welche den Komfort, beispielsweise für Insassen eines Fahrgastraums, beeinflussen,
- maximale Lebensdauer,
- einfache Konstruktion aus einer minimalen Anzahl an Komponenten bei minimalem Platzbedarf, dabei Kolbenelement mit herkömmlichen Abmessungen verwendbar, sowie
- minimale Kosten für Herstellung, Montage und Betrieb.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:

1a: eine Vorrichtung zum Dämpfen von Druckpulsationen für einen Verdichter innerhalb einer von einem Gehäuse umschlossenen Kammer in einer Schnittdarstellung aus dem Stand der Technik in einem geschlossenen Zustand sowie
1b: gemäß 1a in einem geöffneten Zustand,
2a: eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Dämpfen von Druckpulsationen für einen Verdichter innerhalb der vom Gehäuse umschlossenen Kammer in einer Schnittdarstellung in einer ersten Endstellung,
2b: gemäß 2a in einer Zwischenstellung sowie
2c: gemäß 2a in einer zweiten Endstellung,
3a: ein Kolbenelement einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Dämpfen von Druckpulsationen für einen Verdichter in einer Schnittdarstellung und
3b: Übertragungsverluste abhängig von der Frequenz aus Simulationsrechnungen und Messungen für eine bestimmte erfindungsgemäße Vorrichtung.

Aus den 1a und 1b geht jeweils eine Vorrichtung 1' zum Dämpfen von Druckpulsationen für einen Verdichter innerhalb einer von einem Gehäuse 2 umschlossenen Kammer 3 in einer Schnittdarstellung aus dem Stand der Technik hervor. In 1a ist die Vorrichtung 1' in einem geschlossenen Zustand dargestellt, während die Vorrichtung 1' gemäß der 1b in einem geöffneten Zustand angeordnet ist.
Das die Kammer 3 umschließend ausgebildete Gehäuse 2 weist eine Einlassöffnung 4 sowie eine Auslassöffnung 5 auf, welche jeweils in der Wandung des Gehäuses 2 ausgebildet sind. Das beim Durchströmen des Verdichters zu verdichtende Fluid strömt durch die Einlassöffnung 4 in die Kammer 3 ein und durch die Auslassöffnung 5 aus der Kammer 3 aus. Die Einlassöffnung 4 ist als Verbindung zu einer Niederdruckseite eines Kältemittelkreislaufs ausgebildet, während die Auslassöffnung 5 mit einem Ansaugbereich des Verdichters verbunden ist. Die Einlassöffnung 4 ist in einer die Kammer 3 an einer ersten Stirnseite abschließenden Wandung ausgebildet, während die Auslassöffnung 5 an einer die Kammer 3 an einer Seitenfläche abschließenden Wandung ausgebildet ist.
Innerhalb der Kammer 3 ist ein Kolbenelement 6' angeordnet, welcher in einer Bewegungsrichtung 11 innerhalb der Kammer 3 beweglich angeordnet ist. Die Bewegungsrichtung 11 ist dabei entlang einer Längsachse des zylinderförmigen Kolbenelements 6' ausgerichtet. Mit der Bewegung in Bewegungsrichtung 11 steuert das Kolbenelement 6' einen offenen Strömungsquerschnitt der Auslassöffnung 5. Der Strömungsquerschnitt der Auslassöffnung 5 ist maximal geöffnet, wenn das Kolbenelement 6' in Bewegungsrichtung 11 einen maximalen Abstand zur Einlassöffnung 4 aufweist. Der Strömungsquerschnitt der Auslassöffnung 5 ist geschlossen, wenn das Kolbenelement 6' in Bewegungsrichtung 11 mit einem minimalen Abstand zur Einlassöffnung 4 angeordnet ist. Die Wandung des Gehäuses 2 korrespondiert mit der äußeren Form und den äußeren Abmessungen des Kolbenelements 6'.
Das Kolbenelement 6' ist über ein Federelement 8 am Gehäuse 2 abgestützt gelagert. Das Federelement 8 kann dabei als eine Schraubenfeder, insbesondere eine Druckfeder, oder aus Tellerfedern ausgebildet sein. Ein erstes Ende 9 des schraubenfederförmigen Federelements 8 ist an einer die Kammer 3 an einer zweiten Stirnseite abschließenden Wandung anliegend angeordnet. Dabei ist ein zweites, zum ersten Ende 9 distal ausgebildetes Ende 10 des Federelements 8 in Richtung der Einlassöffnung 4 hin ausgerichtet. Das Federelement 8 ragt mit einem dem zweiten Ende 10 zugehörigen Bereich in das Kolbenelement 6' hinein und liegt an einer Innenfläche einer Stirnseite 7' am Kolbenelement 6' an. Das Federelement 8 ist mit einer Längsachse auf der Längsachse des Kolbenelements 6' angeordnet. Die Längsachsen des Kolbenelements 6' und des Federelements 8 sind deckungsgleich ausgerichtet.
Das Kolbenelement 6' ist als ein Hohlkreiszylinder mit einer geschlossenen Stirnseite 7' ausgebildet. Das Federelement 8 ist innerhalb des vom Hohlkreiszylinder umschlossenen Volumens angeordnet, wobei das Federelement 8 je nach Zustand, das heißt entspannten und damit ausgelenktem Zustand oder gespanntem und damit zusammengedrücktem Zustand mit unterschiedlichem Anteil innerhalb des vom Hohlkreiszylinder umschlossenen Volumens integriert ist.
Das Federelement 8 ist derart mit dem Kolbenelement 6' korrespondierend angeordnet, dass das Kolbenelement 6' in einem zumindest nahezu entspannten Zustand des Federelements 8 einen Strömungspfad zwischen der Einlassöffnung 4 und der Auslassöffnung 5 verschließt. Das Kolbenelement 6' ist die Vorrichtung 1' gemäß 1a verschließend angeordnet.
Allerdings weist das Kolbenelement 6' an der Mantelfläche nicht dargestellte Einkerbungen als Bypässe für das Fluid auf, um auch im geschlossenen Zustand der Vorrichtung 1' zumindest einen minimalen Massenstrom des Fluids durch die Vorrichtung 1' hindurch beziehungsweise an der Vorrichtung 1' vorbei zuleiten.
In einem gespannten Zustand des Federelements 8 gibt das Kolbenelement 6' zwischen der Einlassöffnung 4 und der Auslassöffnung 5 einen Strömungspfad frei, sodass ein zu verdichtendes Fluid, beispielsweise ein in einem Kältemittelkreislauf zirkulierendes Kältemittel, in Strömungsrichtung 12 durch die Kammer 3 der Vorrichtung 1' hindurchströmt. Das Kolbenelement 6' der Vorrichtung 1 wird abhängig von dem vom Verdichter geförderten Massenstrom in Bewegungsrichtung 11 verschoben und abhängig vom sich einstellenden Kräftegleichgewicht positioniert.
Die Vorrichtung 1' ist gemäß 1b geöffnet. Bei geöffneter Vorrichtung 1' bewegt sich das Kolbenelement 6' in Bewegungsrichtung 11 von der Einlassöffnung 4 weg und gibt zumindest Teile des Strömungsquerschnitts der Auslassöffnung 5 frei, sodass das Fluid durch den freien Strömungsquerschnitt als Anteil der Auslassöffnung 5 aus der Kammer 3 ausströmen kann. Bei geöffneter Auslassöffnung 5 kann ein hoher Massenstrom des Fluids durch die Vorrichtung 1' hindurch strömen. Im stationären Zustand, das heißt bei konstantem Druck und konstantem Massenstrom, und damit bei einem gleichbleibenden Kräftegleichgewicht, bleibt auch die Position des Kolbenelements unverändert.
Bei einem großen zu fördernden Massenstrom des zu verdichtenden Fluids ist der Druckverlust innerhalb des der Auslassöffnung 5 in Strömungsrichtung nachfolgend ausgebildeten Ansaugbereichs des Verdichters größer als im Bereich der Einlassöffnung 4. Die dabei auftretende Druckdifferenz verursacht eine auf die Fläche der Stirnseite 7' des Kolbenelements 6' wirkende Druckkraft, welche das Kolbenelement 6' von der Einlassöffnung 4 entfernend bewegt. Mit der Bewegung des Kolbenelements 6' wird der Strömungsquerschnitt der Auslassöffnung 5 vergrößert. Mit dem Vergrößern des Strömungsquerschnitts der Auslassöffnung 5 und damit dem Öffnen der Auslassöffnung 5 wird der Druckverlust innerhalb des der Auslassöffnung 5 in Strömungsrichtung nachfolgend ausgebildeten Ansaugbereichs des Verdichters geringer, sodass auch die Druckdifferenz geringer wird. Bei einem großen zu fördernden Massenstrom des zu verdichtenden Fluids ist die Druckpulsation gering.
Bei einem geringen zu fördernden Massenstrom des zu verdichtenden Fluids ist die Druckdifferenz zwischen dem der Auslassöffnung 5 in Strömungsrichtung nachfolgend ausgebildeten Ansaugbereich des Verdichters und dem Bereich der Einlassöffnung 4 gering, sodass das Kolbenelement 6' durch die Vorspannkraft des Federelements 8 in Richtung der Einlassöffnung 4 bewegt wird, wobei der Strömungsquerschnitt der Auslassöffnung 5 verringert wird. Dabei strömt das Fluid durch die nicht dargestellten, als Bypässe ausgebildeten Einkerbungen an der Mantelfläche des Kolbenelements 6' und die Auslassöffnung 5 in den Ansaugbereich. Bei dem geringen zu fördernden Massenstrom des zu verdichtenden Fluids treten höhere Druckpulsationen auf. Die Druckpulsationen werden durch eine sprunghafte Veränderung des Strömungsquerschnitts zwischen der Einlassöffnung 4 und dem Ansaugbereich gedämpft. Die Vorrichtung 1' wirkt als ein Schalldämpfer.
In den 2a bis 2c ist jeweils eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zum Dämpfen von Druckpulsationen für einen Verdichter innerhalb der vom Gehäuse 2 umschlossenen Kammer 3 in einer Schnittdarstellung gezeigt. In 2a ist die Vorrichtung 1 in einer ersten Endstellung dargestellt, während die Vorrichtung 1 gemäß 2b in einer Zwischenstellung angeordnet und in 2c in einer zweiten Endstellung gezeigt ist.
Die Vorrichtung 1 gemäß der 2a bis 2c unterscheiden sich von der Vorrichtung 1' aus den 1a und 1b insbesondere in der Ausbildung des Kolbenelements 6. Gleiche Elemente der Vorrichtungen 1, 1' sind mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Die Kammer 3 wird von dem Gehäuse 2 umschlossen, dessen Wandung eine Einlassöffnung 4 sowie eine Auslassöffnung 5 aufweist. Dabei ist der Verdichter, insbesondere die Vorrichtung 1, über die Einlassöffnung 4 mit der Niederdruckseite des Kältemittelkreislaufs verbunden. Die Auslassöffnung 5 stellt die Verbindung zum Ansaugbereich des Verdichters her.
Mit dem innerhalb der Kammer 3 in der Bewegungsrichtung 11 beweglich angeordneten Kolbenelement 6 werden zum einen die Kammer 3 in ein erstes Kammervolumen 3a und ein zweites Kammervolumen 3b unterteilt sowie zum anderen sowohl die Größen der Kammervolumina 3a, 3b als auch der Strömungsquerschnitt der Auslassöffnung 5 gesteuert. Dabei ist eine erste Stirnseite 7 des Kolbenelements 6 zur Einlassöffnung 4 hin ausgerichtet.
In einer ersten Endstellung gemäß 2a ist das Kolbenelement 6 in einem minimalen Abstand zur Einlassöffnung 4 positioniert, der Strömungsquerschnitt der Auslassöffnung 5 ist geschlossen, das erste Kammervolumen 3a ist minimal, während das zweite Kammervolumen 3b den maximalen Wert aufweist. Der Strömungsquerschnitt der Auslassöffnung 5 und das erste Kammervolumen 3a weisen in einer zweiten Endstellung gemäß 2c jeweils maximale Größen auf, da das Kolbenelement 6 in einem maximalen Abstand zur Einlassöffnung 4 angeordnet ist. Das zweite Kammervolumen 3b ist minimal.
Zwischen dem Kolbenelement 6 und der Wandung des Gehäuses 2 ist das beispielsweise als eine Schraubenfeder, insbesondere eine Druckfeder, ausgebildete Federelement 8 angeordnet. Dabei liegt das erste Ende 9 des Federelements 8 an der Wandung des Gehäuses 2 an, während das zweite, zum ersten Ende 9 distal ausgebildete Ende 10 des Federelements 8 in Richtung der Einlassöffnung 4 hin ausgerichtet und an einer zweiten Stirnseite 13 des Kolbenelements 6 anliegend angeordnet ist.
Das Kolbenelement 6 ist als ein Hohlkreiszylinder mit zwei zumindest teilweise geschlossenen Stirnseiten 7, 13 ausgebildet, welche an distal zueinander ausgebildeten Enden des Mantels des Hohlkreiszylinders angeordnet sind. Die Mantelfläche des Kolbenelements 6 ist vollflächig geschlossen, während in jeder Stirnseite 7, 13 mindestens eine Durchgangsöffnung 14, 15 für das zu verdichtende Fluid vorgesehen ist. Die Durchgangsöffnungen 14, 15 der Stirnseiten 7, 13 des Kolbenelements 6 stellen jeweils eine fluidtechnische Verbindung der Umgebung des Kolbenelements 6, insbesondere der Kammer 3, mit dem von der Wandung des hohlkreiszylinderförmigen Kolbenelements 6 umschlossenen Volumens her.
In der ersten Endstellung und damit einem zumindest nahezu entspannten Zustand des Federelements 8 gemäß 2a ist das Kolbenelement 6 einen zwischen der Einlassöffnung 4 und der Auslassöffnung 5 ausgebildeten direkten Strömungspfad verschließend angeordnet. Das durch die Einlassöffnung 4 in das erste Kammervolumen 3a eingeleitete Fluid strömt in Strömungsrichtung 12 ausschließlich durch die in der ersten Stirnseite 7 des Kolbenelements 6 ausgebildete Durchgangsöffnung 14 in das Innere des Kolbenelements 6 ein sowie durch die in der zweiten Stirnseite 13 ausgebildete Durchgangsöffnung 15 aus dem Kolbenelement 6 in das zweite Kammervolumen 3b wieder aus und wird anschließend durch die Auslassöffnung 5 in den Ansaugbereich des Verdichters geleitet. Die Vorrichtung 1 ist geschlossen.
In einem Zwischenzustand des Kolbenelements 6 und damit einem teilgespannten Zustand des Federelements 8 nach 2b gibt das Kolbenelement 6 einen Teil des Strömungsquerschnitts der Auslassöffnung 5, das heißt einen direkten Strömungspfad zwischen der Einlassöffnung 4 und der Auslassöffnung 5, frei. Das zu verdichtende Fluid, beispielsweise das im Kältemittelkreislauf zirkulierende Kältemittel, strömt in Strömungsrichtung 12 in das erste Kammervolumen 3a der Vorrichtung 1 ein. Beim Durchströmen des ersten Kammervolumens 3a wird der Massenstrom des Fluids in einen ersten Teilmassenstrom und einen zweiten Teilmassenstrom aufgeteilt, wobei der erste Teilmassenstrom durch das erste Kammervolumen 3a hindurch, entlang des direkten Strömungspfades durch den freien Strömungsquerschnitt der Auslassöffnung 5 in den Ansaugbereich des Verdichters geleitet wird, während der zweite Teilmassenstrom durch die in der ersten Stirnseite 7 des Kolbenelements 6 ausgebildete Durchgangsöffnung 14 in das Innere des Kolbenelements 6 sowie durch die in der zweiten Stirnseite 13 ausgebildete Durchgangsöffnung 15 in das zweite Kammervolumen 3b sowie anschließend durch die Auslassöffnung 5 in den Ansaugbereich des Verdichters geleitet wird. Im Ansaugbereich werden die Teilmassenströme wieder vermischt.
In der zweiten Endstellung und damit einem gespannten Zustand des Federelements 8 gemäß 2c ist das Kolbenelement 6 den zwischen der Einlassöffnung 4 und der Auslassöffnung 5 ausgebildeten direkten Strömungspfad zumindest zum großen Teil freigebend angeordnet. Das durch die Einlassöffnung 4 in die Kammer 3 eingeleitete Fluid strömt in Strömungsrichtung 12 durch das erste Kammervolumen 3a hindurch, entlang des direkten Strömungspfades durch den freien Strömungsquerschnitt der Auslassöffnung 5 in den Ansaugbereich des Verdichters. Die Vorrichtung 1, insbesondere die Auslassöffnung 5 ist geöffnet, sodass ein hoher Massenstrom des Fluids durch die Vorrichtung 1 hindurch strömen kann.
Auch bei der als ein Schalldämpfer wirkenden Vorrichtung 1 werden die Druckpulsationen durch eine sprunghafte Veränderung des Strömungsquerschnitts zwischen der Einlassöffnung 4 und dem Ansaugbereich gedämpft. Der Dämpfungseffekt tritt vor allem bei Betriebszuständen mit einem geringen zu fördernden Massenstrom und damit bei einer geringen Last des Verdichters, welche als sehr kritisch in Bezug auf Druckpulsationen im Fahrzeug anzusehen sind, sowie geschlossener Vorrichtung 1 auf.
Bei geschlossener oder nahezu geschlossener Vorrichtung 1, wie bei den Anordnungen in der ersten Endstellung nach 2a oder in einer Zwischenstellung nach 2b, strömt das Fluid zu einem großen Anteil durch die Durchgangsöffnungen 14, 15 und damit durch das Kolbenelement 6 hindurch, wobei die Übertragungsdämpfungsleistung erhöht wird, was die Druckpulsationen dämpft, welche von der Ansaugöffnung des Verdichters in die Kältemittelleitung des Kältemittelkreislaufs übertragen werden. Die Geräuschemissionen beziehungsweise deren Übertragung in den Fahrgastraum werden verhindert.
Die Vorrichtung 1 ist dabei bevorzugt auf der Saugseite des Verdichters angeordnet, könnte alternativ aber auch auf der Druckseite des Verdichters ausgebildet sein.
Durch das in der Vorrichtung 1 als ein Reflexionsdämpfer mit definiertem Volumen integrierte Kolbenelement 6 werden die Druckpulsationen unter Beachtung von vorhandenen Bauraumgrenzen in einem vorbestimmten Frequenzbereich gezielt verringert.
Das Kolbenelement 6 kann beispielsweise aus Teflon ausgebildet sein.
In 3a ist ein Kolbenelement 6 einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zum Dämpfen von Druckpulsationen für einen Verdichter in einer Schnittdarstellung gezeigt. In 3b sind Übertragungsverluste abhängig von der Frequenz aus Simulationsrechnungen und aus Messungen für eine Vorrichtung 1 mit einem bestimmten Kolbenelement 6 dargestellt.
Das integrierte Kolbenelement 6 wird abhängig von der zu dämpfenden Frequenz und des vorhandenen Bauraums anhand folgender Formel ausgelegt (Quelle: Munjal ML. Acoustics of ducts and mufflers. New York : Wiley-Interscience; 1987): $D_{T L} = 10 log (\frac{{(σ_{A} + σ_{E})}^{2} {cos}^{2} (k L) + {(1 + σ_{A} σ_{E})}^{2} {sin}^{2} (k L)}{4 σ_{A} σ_{E}})$
mit $σ_{A} = \frac{S}{S_{A}} und σ_{E} = \frac{S}{S_{E}} und k = \frac{ω}{c} = \frac{2 π}{λ} .$
Der vorhandene Bauraum wird durch den Innendurchmesser d der Kammer 3 nach 2c vorgegeben. D_TL entspricht dem Durchgangsdämpfungsmaß des Kolbenelements 6 und somit der Dämpfung im geschlossenen Zustand des Strömungsquerschnitts der Auslassöffnung 5. Das innere Volumen des hohlzylinderförmigen Kolbenelements 6 wird anhand der Länge L sowie der Querschnittsfläche S definiert. Dabei sind S_E die Querschnittsfläche der Durchgangsöffnung 14 zum Einströmen in das Kolbenelement 6 und SA die Querschnittsfläche der Durchgangsöffnung 15 zum Ausströmen aus dem Kolbenelement 6.
Die Formel für das Durchgangsdämpfungsmaß D_TL als ein Maß für die Reduktion der Druckpulsationen gilt insbesondere für das geschlossene Kolbenelement 6 mit den Durchgangsöffnungen 14, 15 an den jeweiligen Stirnflächen. Durch das Kolbenelement 6 mit den zwei Durchgangsöffnungen 14, 15 erfahren die Druckpulsationen eine Reduktion in Höhe des Durchgangsdämpfungsmaßes D_TL .
In 3b sind die Simulationswerte 16, das heißt die Werte aus einer Simulationsrechnung, und die dazugehörigen Messwerte 17 der Vorrichtung 1 gegenübergestellt.
Mit einer erhöhten Spannung des Federelements 8 kann das Kolbenelement 6 beim Betrieb mit geringen Massenströmen in der ersten Endposition gemäß 2a gehalten werden, was einer zielführenden Auslegung bedarf.
Das geschlossen, lediglich mit den zwei Durchgangsöffnungen 14, 15 ausgebildete Kolbenelement 6 wirkt als Reflexionsschalldämpfer, um die Druckpulsationsdämpfungsleistung zu erhöhen. Der verbesserte Übertragungsverlust der Vorrichtung 1 bewirkt dabei keine merkliche Änderung des geförderten Massenstroms.
Bezugszeichenliste

1, 1': Vorrichtung
2: Gehäuse
3, 3a: Kammer, erstes Kammervolumen
3, 3b: Kammer, zweites Kammervolumen
4: Einlassöffnung, Strömungspfad Fluid
5: Auslassöffnung, Strömungspfad Fluid
6, 6': Kolbenelement
7, 7': (erste) Stirnseite
8: Federelement
9: erstes Ende Federelement 8
10: zweites Ende Federelement 8
11: Bewegungsrichtung Kolbenelement 6, 6'
12: Strömungsrichtung
13: zweite Stirnseite
14: Durchgangsöffnung (erste) Stirnseite 7
15: Durchgangsöffnung zweite Stirnseite 13
16: Simulationswerte
17: Messwerte
D_TL: Durchgangsdämpfungsmaß
d: Innendurchmesser Kammer 3
L: Länge inneres Volumen Kolbenelement 6
S: Querschnittsfläche inneres Volumen Kolbenelement 6
SA: Querschnittsfläche Durchgangsöffnung 15
S_E: Querschnittsfläche Durchgangsöffnung 14

Claims

Vorrichtung (1) zum Dämpfen von Druckpulsationen für einen Verdichter eines gasförmigen Fluids, insbesondere eines Kältemittels, aufweisend - ein Gehäuse (2), welches eine Kammer (3) umschließend, mit einer Einlassöffnung (4) und einer Auslassöffnung (5) ausgebildet ist, - ein Kolbenelement (6), welches - innerhalb der Kammer (3), die Kammer (3) in ein erstes Kammervolumen (3a) und ein zweites Kammervolumen (3b) unterteilend, sowie in einer Bewegungsrichtung (11) zwischen einer ersten Endstellung und einer zweiten Endstellung beweglich angeordnet ist, wobei das Bewegen des Kolbenelements (6) die Kammervolumina (3a, 3b) und einen Strömungsquerschnitt der Auslassöffnung (5) steuert, sowie - über ein Federelement (8) am Gehäuse (2) abgestützt gelagert ist,dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbenelement (6) als ein Hohlzylinder mit zwei zumindest teilweise geschlossenen Stirnseiten (7, 13) ausgebildet ist, wobei das Kolbenelement (6) mindestens jeweils eine als eine fluidtechnische Verbindung zwischen einem Kammervolumen (3a, 3b) und einem von einer Wandung des Kolbenelements (6) umschlossenen Volumen ausgebildete Durchgangsöffnung (14, 15) aufweist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Stirnseite (7, 13) mit mindestens jeweils einer Durchgangsöffnung (14, 15) ausgebildet ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbenelement (6) in der Form eines Kreiszylinders ausgebildet ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbenelement (6) nach $D_{T L} = 10 log (\frac{{(σ_{A} + σ_{E})}^{2} {cos}^{2} (k L) + {(1 + σ_{A} σ_{E})}^{2} {sin}^{2} (k L)}{4 σ_{A} σ_{E}})$
mit $σ_{A} = \frac{S}{S_{A}} und σ_{E} = \frac{S}{S_{E}} und k = \frac{ω}{c} = \frac{2 π}{λ} .$
ausgelegt ist, wobei D_TL einem Durchgangsdämpfungsmaß des Kolbenelements (6), L einer Länge eines inneren Volumen des Kolbenelements (6), S einer Querschnittsfläche des inneren Volumens des Kolbenelements (6) sowie S_E einer Querschnittsfläche einer Durchgangsöffnung (14) zum Einströmen in das Kolbenelement (6) und S_A einer Querschnittsfläche einer Durchgangsöffnung (15) zum Ausströmen aus dem Kolbenelement (6) entsprechen.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassöffnung (4) in einer die Kammer (3) an einer ersten Stirnseite abschließenden Wandung ausgebildet ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsrichtung (11) entlang einer Längsachse des zylinderförmigen Kolbenelements (6) ausgerichtet ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Stirnseite (7) des Kolbenelements (6) zur Einlassöffnung (4) hin ausgerichtet angeordnet ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (8) als eine Schraubenfeder ausgebildet ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (8) mit einer Längsachse auf einer Längsachse des Kolbenelements (6) angeordnet ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Ende (9) des Federelements (8) an einer die Kammer (3) an einer zweiten Stirnseite abschließenden Wandung anliegend angeordnet ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites, zum ersten Ende (9) distal ausgebildetes Ende (10) des Federelements (8) in Richtung der Einlassöffnung (4) hin ausgerichtet und an einer Außenseite des Kolbenelements (6) anliegend angeordnet ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Ende (10) des Federelements (8) an einer zweiten Stirnseite (13) des Kolbenelements (6) anliegend angeordnet ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbenelement (6) in der ersten Endstellung in einem minimalen Abstand zur Einlassöffnung (4) derart angeordnet ist, dass der Strömungsquerschnitt der Auslassöffnung (5) geschlossen ist sowie das erste Kammervolumen (3a) einen minimalen und das zweite Kammervolumen (3b) einen maximalen Wert aufweisen.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbenelement (6) in der zweiten Endstellung in einem maximalen Abstand zur Einlassöffnung (4) derart angeordnet ist, dass der Strömungsquerschnitt der Auslassöffnung (5) vollständig geöffnet ist sowie das erste Kammervolumen (3a) einen maximalen und das zweite Kammervolumen (3b) einen minimalen Wert aufweisen.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslassöffnung (5) mit einem Ansaugbereich des Verdichters verbunden ist.
Verwendung einer Vorrichtung (1) zum Dämpfen von Druckpulsationen für einen Verdichter eines gasförmigen Fluids nach einem der Ansprüche 1 bis 14 in einem Kältemittelkreislauf, insbesondere eines Klimatisierungssystems eines Kraftfahrzeugs.