DE102021118692A1 - Device for controlling a flow rate of a gaseous fluid of a device for compressing the fluid - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft Vorrichtung zum Steuern eines Durchflusses eines gasförmigen Fluids durch mindestens eine Auslassöffnung (15), insbesondere ein Ventil, einer Vorrichtung zum Verdichten des gasförmigen Fluids. Die Vorrichtung zum Steuern des Durchflusses weist ein lamellenförmiges Ventilelement (16) mit einer Längsausdehnung z sowie einem Befestigungsbereich (17) und einem Schließbereich (18) auf. Dabei ist das Ventilelement (16) an einem ersten Ende mit dem Befestigungsbereich (17) an einer Wandung mit der mindestens einen Auslassöffnung (15) in einem Bereich eines Randes der Auslassöffnung (15) fixiert und mit einem zum ersten Ende distal ausgebildeten freien zweiten Ende mit dem Schließbereich (18) die mindestens eine Auslassöffnung (15) verschließbar angeordnet. Zudem ist ein Anschlagelement (21) zum Begrenzen des Weges des Ventilelements (16) beim Öffnen der mindestens einen Auslassöffnung (15) vorgesehen. Das Ventilelement (16) weist zwischen dem Befestigungsbereich (17) und dem Schließbereich (18) einen Verbindungsbereich (19) mit einem Übergangsbereich (20) zum Schließbereich (18) und entlang der Längsrichtung eine veränderliche Breite w auf. Das Ventilelement (16) ist mit mindestens einem Mittel zur Versteifung, insbesondere zur Torsionsversteifung, ausgebildet. The invention relates to a device for controlling a flow of a gaseous fluid through at least one outlet opening (15), in particular a valve, of a device for compressing the gaseous fluid. The device for controlling the flow has a lamellar valve element (16) with a longitudinal extent z and a fastening area (17) and a closing area (18). The valve element (16) is fixed at a first end with the fastening area (17) on a wall with the at least one outlet opening (15) in an area of an edge of the outlet opening (15) and with a free second end formed distally to the first end the at least one outlet opening (15) is arranged to be closable with the closing area (18). In addition, a stop element (21) is provided for limiting the travel of the valve element (16) when the at least one outlet opening (15) is opened. The valve element (16) has a connecting area (19) between the fastening area (17) and the closing area (18) with a transition area (20) to the closing area (18) and a variable width w along the longitudinal direction. The valve element (16) is designed with at least one means for stiffening, in particular for torsional stiffening.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Steuern eines Durchflusses eines gasförmigen Fluids, insbesondere ein Ventil, einer Vorrichtung zum Verdichten des gasförmigen Fluids. Die Vorrichtung weist ein lamellenförmiges Ventilelement auf, welches mit einem ersten Ende an einer Wandung der Vorrichtung zum Verdichten des Fluids, speziell an einem Rand einer Auslassöffnung, fixiert ist und mit einem zum ersten Ende distal ausgebildeten freien zweiten Ende die Auslassöffnung verschließt.The invention relates to a device for controlling a flow of a gaseous fluid, in particular a valve, of a device for compressing the gaseous fluid. The device has a lamellar valve element, which is fixed with a first end to a wall of the device for compressing the fluid, specifically to an edge of an outlet opening, and closes the outlet opening with a free second end distal to the first end.
Aus dem Stand der Technik bekannte Verdichter als Vorrichtungen zum Verdichten des Fluids für mobile Anwendungen, insbesondere für Klimatisierungssysteme von Kraftfahrzeugen, zum Fördern von Kältemittel durch einen Kältemittelkreislauf, auch als Kältemittelverdichter bezeichnet, werden unabhängig vom Kältemittel oft als Kolbenverdichter mit variablem Hubvolumen oder als Scrollverdichter ausgebildet.Compressors known from the prior art as devices for compressing the fluid for mobile applications, in particular for air conditioning systems in motor vehicles, for conveying refrigerant through a refrigerant circuit, also referred to as refrigerant compressors, are often designed as piston compressors with variable displacement or as scroll compressors, regardless of the refrigerant .
Herkömmliche Scrollverdichter weisen neben einem Gehäuse, einen unbeweglichen, fest stehenden Stator mit einer scheibenförmigen Grundplatte und einer sich von einer Seite der Grundplatte erstreckenden, spiralförmigen Wandung sowie einen beweglichen Orbiter ebenfalls mit einer scheibenförmigen Grundplatte und einer sich von einer Vorderseite der Grundplatte erstreckenden, spiralförmigen Wandung auf. Der Stator und der Orbiter wirken zusammen. Dabei sind die Grundplatten derart zueinander angeordnet, dass die spiralförmigen Wandungen ineinandergreifen.
Der Orbiter wird mittels eines Exzenterantriebs auf einer kreisförmigen Bahn bewegt. Bei der Bewegung des Orbiters berühren sich die Wandungen des Stators und des Orbiters an mehreren Stellen und bilden innerhalb der Wandungen mehrere aufeinanderfolgende, abgeschlossene Arbeitsräume aus. Dabei begrenzen benachbart angeordnete Arbeitsräume unterschiedlich große Volumina. In Reaktion auf die Bewegung des Orbiters werden die Volumina und die Positionen der Arbeitsräume verändert. Die Volumina der Arbeitsräume werden zur Mitte der spiralförmigen Wandungen hin zunehmend kleiner. Das innerhalb der kleiner werdenden Arbeitsräume verdichtete Fluid wird durch eine im Stator ausgebildete Auslassöffnung aus dem Verdichtungsmechanismus abgelassen. Die Auslassöffnung ist durch ein Ventil verschlossen und wird durch eine Bewegung des Ventils gezielt geöffnet.Conventional scroll compressors have, in addition to a housing, an immovable, stationary stator with a disc-shaped base plate and a spiral-shaped wall extending from one side of the base plate, and a movable orbiter also with a disc-shaped base plate and a spiral-shaped wall extending from a front side of the base plate on. The stator and the orbiter work together. The base plates are arranged in relation to one another in such a way that the spiral-shaped walls engage in one another.
The orbiter is moved on a circular path by means of an eccentric drive. During the movement of the orbiter, the walls of the stator and the orbiter touch at several points and form several consecutive, closed working spaces within the walls. Working spaces arranged adjacent to each other delimit volumes of different sizes. In response to the movement of the orbiter, the volumes and positions of the workspaces are changed. The volumes of the working spaces become increasingly smaller towards the middle of the spiral-shaped walls. The fluid compressed within the working chambers, which are becoming smaller, is discharged from the compression mechanism through an outlet opening formed in the stator. The outlet opening is closed by a valve and is opened in a targeted manner by a movement of the valve.
Aus dem Stand der Technik bekannte Ventile der Auslassöffnung von Scrollverdichtern sind als sogenannte Lamellenventile ausgebildet, welche neben dem Auslassen des Fluids aus dem Arbeitsraum auch ein Zurückströmen des verdichteten und ausgelassenen Fluids in den Arbeitsraum verhindern.
Das Lamellenventil weist ein als Lamelle ausgebildetes Ventilelement und ein Anschlagelement für das Ventilelement auf. Das Ventilelement kann bei hohen Lastbedingungen des Verdichters, das heißt bei hohen Drehzahlen des Verdichters und hohem Förderdruck des Fluids, zerstört werden, insbesondere brechen. Die Kontur des herkömmlichen lamellenförmigen Ventilelements bewirkt eine hohe Anfälligkeit für ein tordierendes Bewegen der Lamelle während des Öffnens und des Schließens der Auslassöffnung. Die Torsionsbewegung führt zu einer ungleichmäßigen und hohen Belastung des Ventilelements einerseits durch einen einseitigen Kontakt mit dem Stator beim Schließen der Auslassöffnung und andererseits durch einen einseitigen Kontakt mit dem Anschlagelement bei geöffneter Auslassöffnung. Infolge der Torsionsbewegung und der damit verbundenen jeweils einseitigen Belastung wird das Ventilelement einem Überlastungszustand ausgesetzt und bricht.Valves of the outlet opening of scroll compressors known from the prior art are designed as so-called lamella valves which, in addition to the outlet of the fluid from the working chamber, also prevent the compressed and discharged fluid from flowing back into the working chamber.
The lamellar valve has a valve element designed as a lamella and a stop element for the valve element. The valve element can be destroyed, in particular break, under high load conditions of the compressor, ie at high speeds of the compressor and high delivery pressure of the fluid. The contour of the conventional lamellar valve element causes a high susceptibility to torsion of the lamella during opening and closing of the outlet opening. The torsional movement leads to an uneven and high load on the valve element on the one hand due to one-sided contact with the stator when the outlet opening is closed and on the other hand due to one-sided contact with the stop element when the outlet opening is open. As a result of the torsional movement and the associated one-sided loading, the valve element is subjected to an overload condition and breaks.
In der
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zum Steuern des Durchflusses des gasförmigen Fluids durch eine Auslassöffnung, speziell ein Ventil für die Auslassöffnung, einer Vorrichtung zum Verdichten des gasförmigen Fluids, insbesondere eines Verdichters eines Kältemittelkreislaufs eines Klimatisierungssystem, beispielsweise für die Anwendung in Kraftfahrzeugen, zur Verfügung zu stellen. Das Ventil soll eine Dauerhaltbarkeit unter hohen Lastanforderungen, wie einem hohen Verdichtungsdruck und einer hohen Drehzahl, aufweisen. Dabei sollen speziell die Torsionsanfälligkeit des Ventilelements und die Spannungskonzentrationen entlang des Ventilelements minimal sein, um die Lebensdauer des Ventilelements zu maximieren. Die Kosten für die Herstellung des Ventils und den Betrieb des Verdichters sollen minimal sein.The object of the present invention is to provide a device for controlling the flow of the gaseous fluid through an outlet opening, especially a valve for the outlet opening, a device for compressing the gaseous fluid, in particular a compressor of a refrigerant circuit of an air conditioning system, for example for use in motor vehicles , to provide. The valve should have durability under high load requirements, such as high compression pressure and high speed. In particular, the susceptibility to torsion of the valve element and the stress concentrations along the valve element should be minimal in order to maximize the service life of the valve element. The cost of manufacturing the valve and running the compressor should be minimal.
Die Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Steuern eines Durchflusses eines gasförmigen Fluids durch mindestens eine Auslassöffnung, insbesondere ein Ventil, einer Vorrichtung zum Verdichten des gasförmigen Fluids gelöst. Die Vorrichtung zum Steuern des Durchflusses des gasförmigen Fluids weist ein lamellenförmiges Ventilelement mit einer Längsausdehnung z in einer Längsrichtung sowie einem Befestigungsbereich und einem Schließbereich auf. Dabei ist das Ventilelement an einem ersten Ende mit dem Befestigungsbereich an einer Wandung mit der mindestens einen Auslassöffnung der Vorrichtung zum Verdichten des gasförmigen Fluids, speziell in einem Bereich eines Randes der Auslassöffnung, fixiert. Mit einem zum ersten Ende distal ausgebildeten freien zweiten Ende ist das Ventilelement mit dem Schließbereich die mindestens eine Auslassöffnung verschließbar angeordnet.
Die Vorrichtung zum Steuern des Durchflusses des gasförmigen Fluids weist zudem ein Anschlagelement zum Begrenzen des Weges des Ventilelements beim Öffnen der mindestens einen Auslassöffnung auf.The object is achieved by a device according to the invention for controlling a flow of a gaseous fluid through at least one outlet opening, in particular a valve, of a device for compressing the gaseous fluid. The device for controlling the flow of the gaseous fluid has a lamellar valve element with a longitudinal extension z in a longitudinal direction and a fastening area and a closing area. The valve element is fixed at a first end with the fastening area on a wall with the at least one outlet opening of the device for compressing the gaseous fluid, specifically in an area of an edge of the outlet opening. With a free second end formed distally to the first end, the valve element with the closing region is arranged so that the at least one outlet opening can be closed.
The device for controlling the flow of the gaseous fluid also has a stop element for limiting the travel of the valve element when the at least one outlet opening is opened.
Unter einer Lamelle ist dabei ein dünnes Plättchen zu verstehen, welches vorzugsweise aus einem Blech ausgestanzt ist. Dabei ist das Blech ein Walzwerkerzeugnis aus Metall, dessen Breite und Länge sehr viel größer als die Wandstärke, das heißt die Dicke, sind.A lamella is to be understood as meaning a thin plate which is preferably punched out of sheet metal. The sheet is a rolled metal product whose width and length are much greater than the wall thickness, ie the thickness.
Nach der Konzeption der Erfindung weist das Ventilelement zwischen dem Befestigungsbereich und dem Schließbereich einen Verbindungsbereich mit einem Übergangsbereich zum Schließbereich und entlang der Längsrichtung der Längsausdehnung z senkrecht zur Längsrichtung eine veränderliche Breite w auf. Dabei ist der Verbindungsbereich des Ventilelements mit einer geringeren Breite w als der Schließbereich ausgebildet.
Das Ventilelement ist erfindungsgemäß mit einem Mittel zur Versteifung, insbesondere zur Torsionsversteifung, versehen. Das Mittel zur Torsionsversteifung dient dem Erhöhen der Torsionssteifigkeit des Ventilelements. Dabei ist vorzugsweise zumindest ein Mittel zur Versteifung im Übergangsbereich des Ventilelements ausgebildet.According to the conception of the invention, the valve element between the attachment area and the closing area has a connecting area with a transition area to the closing area and along the longitudinal direction of the longitudinal extent z perpendicular to the longitudinal direction a variable width w. The connecting area of the valve element is formed with a smaller width w than the closing area.
According to the invention, the valve element is provided with a means for stiffening, in particular for torsional stiffening. The means for torsional stiffening serves to increase the torsional stiffness of the valve element. In this case, at least one means for stiffening is preferably formed in the transition area of the valve element.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist die Breite w abhängig von einer Länge L, beginnend am Ende des Befestigungsbereichs des Ventilelements, und liegt innerhalb eines Bereichs von Ymin bis Ymax, welcher mittels der Beziehungen
Der zwischen dem Verbindungsbereich und dem Schließbereich ausgebildete Übergangsbereich ist mit einem Übergangsradius R ausgebildet.According to a development of the invention, the width w is dependent on a length L, starting at the end of the fastening area of the valve element, and lies within a range from Ymin to Ymax, which can be determined by means of the relationships
The transition area formed between the connecting area and the closing area is formed with a transition radius R.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist das Ventilelement ein streifenförmiges Primärventilelement und mindestens ein streifenförmiges Sekundärventilelement auf. Dabei ist das Primärventilelement und jedes Sekundärventilelement jeweils eine Auslassöffnung verschließbar angeordnet. Bei einer Ausbildung des Ventilelements ohne mindestens ein Sekundärventilelement wird das Primärventilelement vereinfachend als Ventilelement bezeichnet.According to a preferred embodiment of the invention, the valve element has a strip-shaped primary valve element and at least one strip-shaped secondary valve element. The primary valve element and each secondary valve element are each arranged to be able to close an outlet opening. If the valve element is designed without at least one secondary valve element, the primary valve element is simply referred to as the valve element.
Das Primärventilelement und das mindestens eine Sekundärventilelement des Ventilelements sind vorteilhaft in einer gemeinsamen Ebene ausgerichtet angeordnet.The primary valve element and the at least one secondary valve element of the valve element are advantageously arranged aligned in a common plane.
Das Primärventilelement und das mindestens eine Sekundärventilelement des Ventilelements sind bevorzugt an den ersten Enden, den Befestigungsbereich des Ventilelements ausbildend, miteinander verbunden.The primary valve element and the at least one secondary valve element of the valve element are preferably connected to one another at the first ends, forming the fastening area of the valve element.
Bei einer Ausbildung des Ventilelements mit mindestens zwei Sekundärventilelementen sind die Sekundärventilelemente vorzugsweise beidseitig neben dem Primärventilelement angeordnet, sodass das Primärventilelement stets zwischen zwei Sekundärventilelementen positioniert ist.If the valve element is designed with at least two secondary valve elements, the secondary valve elements are preferably arranged on both sides next to the primary valve element, so that the primary valve element is always positioned between two secondary valve elements.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass das Ventilelement mit einer konstanten Wandstärke ausgebildet ist. Die Wandstärke kann dabei Werte im Bereich von 0,10 mm bis 0,60 mm, insbesondere im Bereich von 0,254 mm bis 0,60 mm oder 0,25 mm bis 0,30 mm, aufweisen.A further advantage of the invention is that the valve element is designed with a constant wall thickness. The wall thickness can have values in the range from 0.10 mm to 0.60 mm, in particular in the range from 0.254 mm to 0.60 mm or 0.25 mm to 0.30 mm.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung sind eine Anlagefläche des Anschlagelements und eine zum Anschlagelement weisende Oberfläche des Ventilelements miteinander korrespondierend ausgebildet. Die Anlagefläche des Anschlagelements kann in Form und Abmessungen der zum Anschlagelement weisenden Oberfläche des Ventilelements entsprechen oder größer sein als die zum Anschlagelement weisende Oberfläche des Ventilelements.According to a development of the invention, a contact surface of the stop element and a surface of the valve element pointing towards the stop element are designed to correspond to one another. The contact surface of the stop element can correspond in shape and dimensions to the surface of the valve element facing the stop element or be larger than the surface of the valve element facing the stop element.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Übergangsradius R des Übergangsbereichs des Ventilelements Werte im Bereich von 50 mm bis 300 mm auf. Dabei kann ein Verhältnis der Längsausdehnung z des Ventilelements zum Übergangsradius R im Bereich von 0,06 bis 0,36 liegen.According to a further advantageous embodiment of the invention, the transition radius R of the transition area of the valve element has values in the range from 50 mm to 300 mm. A ratio of the longitudinal extension z of the valve element to the transition radius R can be in the range from 0.06 to 0.36.
Ein Verhältnis eines Hubweges d des Ventilelements als Abstand zwischen dem Mittelpunkt des Schließbereichs des Ventilelements auf der zum Anschlagelement weisenden Oberfläche im geschlossenen Zustand senkrecht zur zum Ventilelement weisenden Oberfläche des Anschlagelements zu einem Durchmesser s eines Querschnitts der Auslassöffnung beträgt vorzugsweise mindestens 0,26.A ratio of a stroke distance d of the valve element as a distance between the center point of the closing area of the valve element on the surface facing the stop element in the closed state perpendicular to the surface of the stop element pointing to the valve element to a diameter s of a cross section of the outlet opening is preferably at least 0.26.
Ein Torsionswinkel φ relativ zur nominellen Ausrichtung des Ventilelements, insbesondere um eine in der Längsrichtung verlaufenden Achse des Ventilelements, weist beim Öffnen oder Schließen der Auslassöffnung bevorzugt Werte im Bereich von 0° bis 1° auf.A torsion angle φ relative to the nominal orientation of the valve element, in particular about an axis of the valve element running in the longitudinal direction, preferably has values in the range from 0° to 1° when opening or closing the outlet opening.
Die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht die Verwendung der Vorrichtung zum Steuern des Durchflusses des gasförmigen Fluids durch mindestens eine Auslassöffnung in einer Vorrichtung zum Verdichten des gasförmigen Fluids, insbesondere eines Kältemittels. Die Vorrichtung zum Verdichten des gasförmigen Fluids ist vorteilhaft als ein Scrollverdichter ausgebildet.The advantageous embodiment of the invention enables the use of the device for controlling the flow of the gaseous fluid through at least one outlet opening in a device for compressing the gaseous fluid, in particular a refrigerant. The device for compressing the gaseous fluid is advantageously designed as a scroll compressor.
Die beispielsweise als tropfenförmiges Auslassblech und formoptimiertes Lamellenauslassventil ausgebildete erfindungsgemäße Vorrichtung zum Steuern des Durchflusses des gasförmigen Fluids genügt gesteigerten Lastanforderungen eines insbesondere elektrisch angetriebenen Scrollverdichters.
Zum Verhindern des Zerstörens, speziell des Brechens des Ventilelements wird dessen Torsionsbewegung minimiert, um damit einen gleichmäßigen Kontakt des Ventilelements an den die Gesamtbewegung begrenzenden Anlageflächen zu gewährleisten. Dabei wird die Torsionssteifigkeit des Ventilelements durch Formmodifikationen und Dickenmodifikationen, wie einen im Vergleich zu herkömmlichen Ventilelementen vergrößerten Übergangsradius im Übergangsbereich vom Schließbereich zum Verbindungsbereich, erhöht. Mit der höheren Torsionssteifigkeit wird die Torsionsenergie der Torsionsbewegung effektiv abgeführt. Innerhalb des Hubweges beziehungsweise des Ventilweges kann die Torsionsbewegung derart abgeführt werden, dass der gleichmäßige Kontakt zwischen dem Ventilelement und den entsprechenden wegbegrenzenden Anlageflächen sichergestellt ist.The device according to the invention for controlling the flow of the gaseous fluid, designed for example as a teardrop-shaped outlet plate and shape-optimized lamellar outlet valve, satisfies the increased load requirements of a scroll compressor, in particular an electrically driven one.
To prevent the valve element from being destroyed, specifically from breaking, its torsional movement is minimized in order to ensure uniform contact of the valve element on the contact surfaces that limit the overall movement. The torsional rigidity of the valve element is increased by modifications in shape and thickness, such as an enlarged transition radius in the transition area from the closing area to the connecting area compared to conventional valve elements. With the higher torsional rigidity, the torsional energy of the torsional movement is effectively dissipated. Within the stroke path or the valve path, the torsional movement can be dissipated in such a way that uniform contact between the valve element and the corresponding travel-limiting contact surfaces is ensured.
Mit einer vergrößerten Oberfläche des Ventilelements wird zudem eine Dämpfung der Bewegung des Ventilelements bewirkt, welche aus der Verdrängung des verdichteten Fluids und der Überwindung des Fluidwiderstandes resultiert. Je nach Anforderung an die Steifigkeit kann auch die Materialstärke des Ventilelements erhöht werden.With an enlarged surface of the valve element, damping of the movement of the valve element is also effected, which results from the displacement of the compressed fluid and the overcoming of the fluid resistance. Depending on the rigidity requirement, the material thickness of the valve element can also be increased.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Steuern des Durchflusses des gasförmigen Fluids weist zusammenfassend weitere diverse Vorteile auf:
- - maximale Haltbarkeit auch unter hohen Lastanforderungen, wie hohen Drehzahlen, beispielsweise oberhalb von 8600 min-1, des Verdichters über einen maximalen Zeitraum,
- - minimale Torsionsanfälligkeit und minimale Spannungskonzentrationen entlang des Ventilelements durch gleichmäßige Belastung des Ventilelements infolge optimierter Ventilkinematik während des Öffnens und Schließens,
- - minimale Schallemissionen, insbesondere infolge Körperschall und Vibrationen, durch Dämpfen der Ventilelementkontakte mit den Anlageflächen und
- - mögliche Serienfertigung bei minimalen Kosten bei der Herstellung des Ventilelements und dem Betrieb der Vorrichtung zum Verdichten des gasförmigen Fluids.
- - maximum durability even under high load requirements, such as high speeds, for example above 8600 min -1 , of the compressor over a maximum period of time,
- - minimal susceptibility to torsion and minimal stress concentrations along the valve element through uniform loading of the valve element as a result of optimized valve kinematics during opening and closing,
- - Minimum noise emissions, in particular due to structure-borne noise and vibrations, by dampening the valve element contacts with the contact surfaces and
- - possible series production with minimal costs in the manufacture of the valve element and the operation of the device for compressing the gaseous fluid.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
-
1 : einen Ausschnitt eines Verdichtungsmechanismus mit einem Lamellenventil eines Scrollverdichters in einer seitlichen Schnittdarstellung, -
2a und2b : jeweils ein Ventilelement eines Lamellenventils aus dem Stand der Technik in perspektivischer Ansicht und in einer Draufsicht, -
2c : einen Schließbereich eines Ventilelements eines Lamellenventils aus dem Stand der Technik in einer Draufsicht, -
3a : ein Ventil einer Auslassöffnung mit einem Ventilelement und einem Anschlagelement im geschlossenen Zustand der Auslassöffnung in einer seitlichen Schnittdarstellung, -
3b : Torsionsbewegung des Ventilelements während des Öffnens des Ventils in einer Frontansicht in Richtung eines Befestigungsbereichs des Ventilelements, -
3c : Torsionsbewegung des Ventilelements während des Schließens des Ventils in einer Frontansicht in Richtung des Befestigungsbereichs des Ventilelements, -
4 : ein Ventil mit einem Ventilelement und einem Anschlagelement im entspannten Zustand des Ventilelements in perspektivischer Ansicht, -
5 : eine Detailansicht eines Primärventilelements des Ventilelements und des Anschlagelements in einer Draufsicht, -
6a und6b : Ausführungsformen des Ventilelements jeweils in einer perspektivischen Ansicht sowie -
7a und7b : die Form des Ventilelements als Verhältnis der Länge zur Breite des Ventilelements abhängig von der relativen Längsausdehnung des Ventilelements in Längsrichtung.
-
1 : a detail of a compression mechanism with a reed valve of a scroll compressor in a lateral sectional view, -
2a and2 B : in each case a valve element of a reed valve from the prior art in a perspective view and in a plan view, -
2c : a closing area of a valve element of a reed valve from the prior art in a plan view, -
3a : a valve of an outlet opening with a valve element and a stop element in the closed state of the outlet opening in a lateral sectional view, -
3b : Torsional movement of the valve element during opening of the valve in a front view in the direction of a fastening area of the valve element, -
3c : Torsional movement of the valve element during valve closing in a front view towards the fastening area of the valve element, -
4 : a perspective view of a valve with a valve element and a stop element in the relaxed state of the valve element, -
5 : a detailed view of a primary valve element of the valve element and the stop element in a plan view, -
6a and6b : Embodiments of the valve element each in a perspective view and -
7a and7b : the shape of the valve element as a ratio of the length to the width of the valve element as a function of the relative lengthwise extent of the valve element in the longitudinal direction.
In
Der Scrollverdichter 1 weist ein Gehäuse 2, einen unbeweglichen, fest stehenden Stator 3 mit einer scheibenförmigen Grundplatte 3a und einer sich von einer Seite der Grundplatte 3a erstreckenden, spiralförmig ausgebildeten Wandung 3b sowie einen beweglichen Orbiter 4 mit einer scheibenförmigen Grundplatte 4a und einer sich von einer Vorderseite der Grundplatte 4a erstreckenden, spiralförmig ausgebildeten Wandung 4b auf. Stator 3 und Orbiter 4, welche auch kurz als unbewegliche oder feste Spirale 3 beziehungsweise als bewegliche Spirale 4 bezeichnet werden, wirken zusammen. Dabei sind die Grundplatten 3a, 4a derart zueinander angeordnet, dass die Wandung 3b des Stators 3 und die Wandung 4b des Orbiters 4 ineinandergreifen.In
The
Die bewegliche Spirale 4 wird mittels eines Exzenterantriebs auf einer kreisförmigen Bahn bewegt. Bei der Bewegung der Spirale 4 berühren sich die Wandungen 3b, 4b an mehreren Stellen und bilden innerhalb der Wandungen 3b, 4b mehrere aufeinanderfolgende, abgeschlossene Arbeitsräume 5 aus, wobei benachbart angeordnete Arbeitsräume 5 unterschiedlich große Volumina begrenzen. In Reaktion auf die Bewegung des Orbiters 4 werden die Volumina und die Positionen der Arbeitsräume 5 verändert. Die Volumina der Arbeitsräume 5 werden zur Mitte der spiralförmigen Wandungen 3b, 4b, welche auch als Spiralwandungen bezeichnet werden, hin zunehmend kleiner.The
Der Exzenterantrieb wird aus einer Antriebswelle 6, welche um eine Rotationsachse 7 rotiert, und einem Zwischenelement 8 gebildet. Die Antriebswelle 6 ist über ein erstes Lager 9 am Gehäuse 2 abgestützt. Der Orbiter 4 ist über das Zwischenelement 8 mit der Antriebswelle 6 exzentrisch verbunden, das heißt die Achse des Orbiters 4 und der Antriebswelle 6 sind versetzt zueinander angeordnet. Der Orbiter 4 ist über ein zweites Lager 10 auf dem Zwischenelement 8 abgestützt.The eccentric drive is formed from a
Der Scrollverdichter 1 weist zudem eine Führungsvorrichtung 11 auf, welche eine Rotation der beweglichen Spirale 4 verhindert und das Kreisen der beweglichen Spirale 4 ermöglicht.The
Innerhalb des Gehäuses 2 ist zudem eine am Gehäuse 2 fixierte Wandung 12, auch als Gegenwandung bezeichnet, vorgesehen. Zwischen der Wandung 12 und der beweglichen Spirale 4 ist ein Gegendruckbereich 13 ausgebildet. Aufgrund des innerhalb des Gegendruckbereichs 13 vorherrschenden Gegendrucks wird die bewegliche Spirale 4 mit einer Kraft gegen die, ebenso wie die Wandung 12 am Gehäuse 2 fixierte, feste Spirale 3 gedrückt. Der Gegendruckbereich 13 ist über ein zwischen der beweglichen Spirale 4 und der Gegenwandung 12 angeordnetes Dichtelement von einem Ansaugbereich 14 abgedichtet.Inside the
Das zu verdichtende Fluid wird durch den Ansaugbereich 14 in die Arbeitsräume 5 angesaugt und infolge der relativen Bewegung des Orbiters 4 zum Stator 3 verdichtet. Das verdichtete Fluid wird durch eine im Stator 3 ausgebildete Auslassöffnung 15 aus den Arbeitsräumen 5 ausgelassen. Die Auslassöffnung 15 wird mittels eines als Lamelle ausgebildeten Ventilelements 16 geschlossen und geöffnet.The fluid to be compressed is sucked into the working
Aus den
Das die Form eines ausgestanzten Bleches aufweisende Ventilelement 16' ist aus einem Primärventilelement 16a', auch als Hauptventilelement bezeichnet, sowie zwei Sekundärventilelementen 16b, welche auch als Nebenventilelemente bezeichnet werden, ausgebildet. Dabei sind die Sekundärventilelemente 16b jeweils beidseitig neben dem Primärventilelement 16a' angeordnet. Das Primärventilelement 16a' und die Sekundärventilelemente 16b sind in einer gemeinsamen Ebene ausgerichtet. Alternativ kann das Ventilelement 16' auch lediglich ein Primärventilelement ohne Sekundärventilelemente aufweisen.From the
The valve element 16', which is in the form of a stamped sheet metal, is formed from a
Sowohl das Primärventilelement 16a' als auch die Sekundärventilelemente 16b weisen jeweils die Form eines Fingers auf, welche an ersten Enden miteinander verbunden sind. Das Ventilelement 16' wird im Bereich der miteinander verbundenen ersten Enden des Primärventilelements 16a' und der Sekundärventilelemente 16b, welcher als Befestigungsbereich 17 des Ventilelements 16' bezeichnet wird, am Stator 3, insbesondere an der Grundplatte 3a des Stators 3, fixiert.Both the
An den distal zu den ersten Enden ausgebildeten zweiten Enden weisen das Primärventilelement 16a' und die Sekundärventilelemente 16b jeweils einen Schließbereich 18 auf. Die Enden der fingerförmigen Primärventilelement 16a' und Sekundärventilelemente 16b sind jeweils über einen stegförmigen Verbindungsbereich 19 miteinander verbunden. Da der Verbindungsbereich 19 mit einer geringeren Breite als der Schließbereich 18 ausgebildet ist, weisen das Primärventilelement 16a' und die Sekundärventilelemente 16b in der Draufsicht jeweils die Form eines Löffels auf.The
Wie insbesondere aus
Wie
Das die Auslassöffnung 15 verschließend angeordnete Ventilelement 16 ist im Befestigungsbereich 17 gemeinsam mit dem Anschlagelement 21 an der Grundplatte 3a des Stators 3 fixiert, beispielsweise angeschraubt. Dabei liegt das Anschlagelement 21 am Ventilelement 16 und das Ventilelement 16 am Stator 3 an. Das Ventilelement 16 ist folglich zwischen dem Stator 3 und dem Anschlagelement 21 befestigt.The
Am zum Befestigungsbereich 17 distal ausgebildeten freien Ende des Ventilelements 16 ist das Anschlagelement 21 mit maximaler Entfernung vom Stator 3 beabstandet angeordnet. Der Abstand zwischen dem Stator 3 und dem Anschlagelement 21 nimmt in Richtung des freien Endes stetig zu.The
Das Anschlagelement 21 dient dabei dem Begrenzen des Hubweges d des Ventilelements 16 während des Vorgangs des Öffnens der Auslassöffnung 15. Im geöffneten Zustand legt sich das Ventilelement 16 vorzugsweise flächig an das Anschlagelement 21 an. In Abhängigkeit des Druckverhältnisses beiderseits des Ventilelements 16 wird die Auslassöffnung 15 durch eine Bewegung des Ventilelements 16 geschlossen oder geöffnet.The
Mit z ist die Längsausdehnung des Ventilelements 16 zwischen dem Einspannpunkt des Anschlagelements 21 und dem Mittelpunkt des Schließbereichs 18 des Ventilelements 16 gezeigt.The longitudinal extent of the
In den
Beim Öffnen und Schließen der Auslassöffnung 15, deren freier Querschnitt einen Durchmesser s aufweist, wird das Ventilelement 16 jeweils aufgrund der Torsionsbewegung gegenüber den Anlageflächen der korrespondierenden Komponenten verdreht. So wird das Ventilelement 16 beim Öffnen der Auslassöffnung 15 beim ersten Kontakt mit dem Anschlagelement 21 verdreht, während das Ventilelement 16 beim Schließen beim ersten Kontakt mit der Grundplatte 3a des Stators 3 verdreht wird. Dabei kommt es jeweils zu einer einseitigen Berührung des Ventilelements 16 an der Anlagefläche der entsprechend mit dem Ventilelement 16 korrespondierenden Komponente. Die einseitige Berührung bewirkt eine ungleichmäßige Belastung des Ventilelements 16.When opening and closing the
Bei einem Torsionswinkel φ des Ventilelements 16 im Bereich von 0° bis 1° wird das Ventilelement 16 gleichmäßig belastet.With a torsion angle φ of the
Aus
Um den erhöhten Lastanforderungen des Verdichters, beispielsweise bei einer Drehzahl größer als 8600 min-1 beziehungsweise einem hohen Verdichtungsdruck, und der damit einhergehenden übermäßig hohen Beanspruchung, welche unter anderem in der Torsionsbewegung des Ventilelements 16 während des Öffnens und Schließens der Auslassöffnung 15 mit dem jeweils einseitigen Kontakt zwischen dem Ventilelement 16 und den mit dem Ventilelement 16 korrespondierenden Komponenten und folglich der jeweils einseitigen Belastung resultiert, zu begegnen, ist die Torsionsanfälligkeit des Ventilelements 16, insbesondere des formoptimierten Primärventilelements 16a, minimiert. Die Torsionssteifigkeit des Primärventilelements 16a des Ventilelements 16 wird im Vergleich zu herkömmlichen Ventilelementen erhöht.In order to meet the increased load requirements of the compressor, for example at a speed greater than 8600 rpm or a high compression pressure, and the associated excessively high stress, which, among other things, results in the torsional movement of the
Dabei wird der Übergangsradius R des den Schließbereich 18 und den Verbindungsbereich 19, insbesondere des Primärventilelements 16a, verbindenden Übergangsbereichs 20 sehr groß, vorzugsweise maximal, ausgebildet. Im Vergleich zu herkömmlichen Ventilelementen mit Übergangsradien im Bereich von 2 mm bis 10 mm ist der Übergangsradius R des Ventilelements 16 um etwa den Faktor 10 größer. Zusätzlich oder alternativ wird die Wandstärke des lamellenförmigen beziehungsweise blechförmigen Ventilelements 16 im Vergleich zu herkömmlichen Ventilelementen abhängig von den Steifigkeitsanforderungen auf Werte im Bereich von 0,1 mm bis 0,6 mm, insbesondere 0,254 mm bis 0,6 mm, erhöht, um die Torsionssteifigkeit des Ventilelements 16 zu vergrößern.The transition radius R of the
Mit der hohen Torsionssteifigkeit des Ventilelements 16 werden die Anfälligkeit für Torsionsbewegungen reduziert und eine möglicherweise auftretende Torsionsbewegung schnell abgebaut. Dadurch wird eine einseitige Berührung des Ventilelements 16 an der Anlagefläche der entsprechenden korrespondierenden Komponente verhindert. Das Ventilelement 16 wird gleichmäßig belastet.The high torsional rigidity of the
Mit der erhöhten Torsionssteifigkeit werden die auftretenden Torsionsbewegung innerhalb des Bewegungsbereichs des Ventilelements 16 derart dissipiert, dass ein gleichmäßigerer Kontakt zwischen dem Ventilelement 16 und dem Anschlagelement 21 sowie der Grundplatte 3a des Stators 3 als mit dem Ventilelement 16 korrespondierenden und wegbegrenzenden Komponenten erreicht wird.With the increased torsional rigidity, the torsional movements that occur within the range of movement of the
Gleichzeitig wird mit der derart vergrößerten wirksamen Fläche des Ventilelements 16 ein Dämpfungseffekt bewirkt, da beim Schließen der Auslassöffnung 15 mittels des Ventilelements 16 mehr Fluid verdrängt wird und beim Öffnen der Auslassöffnung 15 mittels des Ventilelements 16 ein größerer Fluidwiderstand überwunden wird, was die Bewegungsgeschwindigkeit beziehungsweise die Geschwindigkeit beim Auftreffen oder Aufprallen des Ventilelements 16 auf das Anschlagelement 21 beziehungsweise den Stator 3 reduziert. Damit werden der Impuls und folglich die Gesamtbelastung des Ventilelements 16 verringert.At the same time, the effective area of the
Aufgrund der signifikant höheren Belastung des Primärventilelements 16a gegenüber der Sekundärventilelemente 16b wird vorrangig lediglich das Primärventilelement 16a bezüglich der Formgebung, insbesondere mit dem großen Übergangsradius R, ausgebildet.Due to the significantly higher load on the
Die Außenkontur des Anschlagelements 21 korrespondiert mit der Außenkontur des Ventilelements 16, speziell mit der Außenkontur des Primärventilelements 16a, um derart mindestens eine vollständige Überdeckung beim Anschlagen des Ventilelements 16 am Anschlagelement 21 zu erzielen. Die Anlagefläche des Anschlagelements 21 entspricht folglich der zum Anschlagelement 21 weisenden Oberfläche des Ventilelements 16 oder ist vorzugsweise größer als die zum Anschlagelement 21 weisende Oberfläche des Ventilelements 16, was in
Auch in den
Die Primärventilelemente 16a der Ventilelemente 16 weisen, wie bei den Ausführungsformen der Ventilelemente 16 nach den
Der Übergangsradius R des Übergangsbereichs 20 zwischen dem Schließbereich 18 und dem Verbindungsbereich 19, speziell des Primärventilelements 16a, liegt im Bereich von 50 mm, gemäß
In den
Die Auslegung der Form des Ventilelements 16 erfolgt in einzelnen Schritten und Abschnitten. Dabei ist ein Abschnitt des Ventilelements 16 jeweils mit der Länge L und der lokalen Breite w charakterisiert. Als Basis für die Länge L des Abschnitts L dient die äußerste Kante des stegförmigen Verbindungsbereichs 19 als Übergang vom geraden in den gebogenen Abschnitt des Anschlagelements 21, welcher auch als Einspannpunkt bezeichnet wird. Die Länge L des Abschnitts wird von dieser äußersten Kante bis zur entsprechenden Position des gewählten Abschnitts bestimmt. Die Breite w ergibt sich stets an der zur Länge L gehörenden Position, in senkrechter Richtung zur Längsrichtung des Ventilelements 16. Die jeweilige Änderung der Länge L des Abschnitts zur Auslegung der Form des Ventilelements 16 ist abhängig von der gewünschten Genauigkeit zu wählen.The design of the shape of the
Zu Beginn der Auslegung der Form des Ventilelements 16 wird die Längsausdehnung z des Ventilelements 16 vorgegeben. Anschließend wird das Verhältnis zwischen den einzelnen Längen L der Abschnitte und der Längsausdehnung z unter Veränderung der Länge L berechnet:
Mit dem Verhältnis x und der Länge L des Abschnitts wird die jeweils dazugehörige Breite w der einzelnen Abschnitte mittels der Beziehungen
Die Form des Ventilelements 16 liegt im Bereich der bevorzugten Form zwischen Ymin und Ymax.The shape of the
Für eine gleichmäßige Belastung des Ventilelements 16 ist neben der Form auch der Hubweg d des Ventilelements 16, gemäß
Der Hubweg d des Ventilelements 16 ist insbesondere als vertikaler Abstand zwischen der Mitte des Schließbereichs 18 im geschlossenen Zustand der Auslassöffnung 15 und einem senkrecht projizierten Punkt auf der zum Ventilelement 16 weisenden Oberfläche des Anschlagelements 21 definiert. Die Projektion des Punktes erstreckt sich folglich von der Mitte des Schließbereichs 18 des Ventilelements 16 auf die Oberfläche des Anschlagelements 21.The stroke d of the
Der Hubweg d des Ventilelements 16 ist dabei von der Längsausdehnung z des Ventilelements 16, dem Übergangsradius R des Übergangsbereichs 20 des Ventilelements 16 und dem Durchmesser s des Querschnitts der Auslassöffnung 15 abhängig und ist ausschlaggebend für das Dissipationspotential der Torsionsbewegung des Ventilelements 16. Wenn der Hubweg d des Ventilelements 16 zu gering ist, wird die Torsionsbewegung des Ventilelements 16 nicht vollständig abgebaut, was zu einem einseitigen Kontakt des Ventilelements 16 an der Anlagefläche der entsprechenden korrespondierenden Komponente, insbesondere dem Stator 3 beziehungsweise dem Anschlagelement 21, führen kann.The stroke d of the
Um eine wirksame Ableitung der Torsionsbewegung zu gewährleisten, sollte das Ventilelement 16 folgende Bedingung
Das blechförmige Ventilelement 16 kann beispielsweise eine Form mit folgenden Parametern aufweisen: Wandstärke von 0,15 mm, Längsausdehnung z von 30 mm, Breite w Verbindungsbereich 19 von 7 mm, Übergangsradius R des Übergangsbereichs 20 von 125 mm bei einem Hubweg d von 4 mm und einem Durchmesser s der Auslassöffnung 15 von 13 mm.The sheet-
Bezugszeichenlistereference list
- 11
- Scrollverdichterscroll compressor
- 22
- Gehäusehousing
- 33
- Stator, feste SpiraleStator, fixed spiral
- 3a3a
-
Grundplatte feste Spirale 3Fixed
spiral base plate 3 - 3b3b
-
Wandung feste Spirale 3wall fixed
spiral 3 - 44
- Orbiter, bewegliche SpiraleOrbiter, moving spiral
- 4a4a
-
Grundplatte bewegliche Spirale 4Movable
spiral base plate 4 - 4b4b
-
Wandung bewegliche Spirale 4wall
movable spiral 4 - 55
- Arbeitsraumworking space
- 66
- Antriebswelledrive shaft
- 77
- Rotationsachseaxis of rotation
- 88th
- Zwischenelementintermediate element
- 99
- erstes Lagerfirst camp
- 1010
- zweites Lagersecond camp
- 1111
- Führungsvorrichtungguiding device
- 1212
- Wandungwall
- 1313
- Gegendruckbereichback pressure area
- 1414
- Ansaugbereichintake area
- 1515
- Auslassöffnungexhaust port
- 16, 16'16, 16'
- Ventilelementvalve element
- 16a, 16a'16a, 16a'
- Primärventilelementprimary valve element
- 16b16b
- Sekundärventilelementsecondary valve element
- 1717
- Befestigungsbereichmounting area
- 1818
- Schließbereichlocking area
- 1919
- Verbindungsbereichconnection area
- 2020
- Übergangsbereichtransition area
- 2121
- Anschlagelementstop element
- di.e
- Hubwegstroke distance
- RR
- Übergangsradiustransition radius
- ss
-
Durchmesser Querschnitt Auslassöffnung 15Diameter
cross-section outlet opening 15 - LL
-
Länge Abschnitt Ventilelement 16Length
section valve element 16 - ww
-
Breite Abschnitt Ventilelement 16Wide
section valve element 16 - xx
- Verhältnis zwischen Länge L und Breite wRatio between length L and width w
- ze.g
-
Längsausdehnung Ventilelement 16Longitudinal
expansion valve element 16 - φφ
-
Torsionswinkel Ventilelement 16Torsion
angle valve element 16
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
- US 5345970 A [0005]US5345970A [0005]
Claims (15)
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102020121950 | 2020-08-21 | ||
DE102020121950.4 | 2020-08-21 |
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Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102021118692A1 true DE102021118692A1 (en) | 2022-02-24 |
Family
ID=80112915
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE102021118692.7A Pending DE102021118692A1 (en) | 2020-08-21 | 2021-07-20 | Device for controlling a flow rate of a gaseous fluid of a device for compressing the fluid |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE102021118692A1 (en) |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5345970A (en) | 1993-09-02 | 1994-09-13 | Carrier Corporation | Virtual valve stop |
-
2021
- 2021-07-20 DE DE102021118692.7A patent/DE102021118692A1/en active Pending
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5345970A (en) | 1993-09-02 | 1994-09-13 | Carrier Corporation | Virtual valve stop |
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---|---|---|---|
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