DE102021126368A1 - Device for controlling a flow of a fluid and device for compressing a gaseous fluid - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zum Steuern eines Durchflusses eines Fluids durch mindestens eine in einer Wandung (2) ausgebildete Durchlassöffnung (3), insbesondere ein Ventil, einer Vorrichtung zum Fördern oder Verdichten des Fluids. Die Vorrichtung (1) weist ein lamellenförmiges Ventilelement (5) auf, welches mit einem ersten Ende (8) an der Wandung (2) in einem Bereich eines Randes der Durchlassöffnung (3) fixiert und mit einem zum ersten Ende distal ausgebildeten freien zweiten Ende (9) die Durchlassöffnung (3) verschließbar angeordnet ist. Das Ventilelement (5) ist aus mindestens zwei voneinander verschiedenen Materialien (5a, 5b, 5c) mehrschichtig ausgebildet, sodass eine Struktur des Ventilelements (5) eine inhomogene Materialverteilung aufweist. Dabei ist jede Schicht aus einem metallischen Material (5a, 5b, 5c) ausgebildet. Die Erfindung betrifft zudem eine Vorrichtung zum Verdichten eines gasförmigen Fluids mit der Vorrichtung zum Steuern des Durchflusses des Fluids.The invention relates to a device (1) for controlling a flow of a fluid through at least one passage opening (3) formed in a wall (2), in particular a valve, of a device for conveying or compressing the fluid. The device (1) has a lamellar valve element (5) which is fixed with a first end (8) to the wall (2) in an area of an edge of the passage opening (3) and with a free second end distal to the first end (9) the passage opening (3) is arranged so that it can be closed. The valve element (5) is made of at least two different materials (5a, 5b, 5c) in multiple layers, so that a structure of the valve element (5) has an inhomogeneous material distribution. Each layer is made from a metallic material (5a, 5b, 5c). The invention also relates to a device for compressing a gaseous fluid with the device for controlling the flow of the fluid.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Steuern eines Durchflusses eines Fluids durch eine in einer Wandung ausgebildete Durchlassöffnung, insbesondere ein Ventil, einer Vorrichtung zum Fördern oder Verdichten des Fluids. Die Vorrichtung zum Steuern des Durchflusses weist ein lamellenförmiges Ventilelement auf. Das Ventilelement ist mit einem ersten Ende an der Wandung in einem Bereich des Randes der Durchlassöffnung fixiert und mit einem zum ersten Ende distal ausgebildeten freien zweiten Ende die Durchlassöffnung verschließbar angeordnet.The invention relates to a device for controlling a flow of a fluid through a passage opening formed in a wall, in particular a valve, of a device for conveying or compressing the fluid. The device for controlling the flow has a reed valve element. The valve element is fixed with a first end to the wall in a region of the edge of the through-opening and is arranged such that the through-opening can be closed with a free second end that is distal to the first end.
Aus dem Stand der Technik bekannte Verdichter als Vorrichtungen zum Verdichten des Fluids, insbesondere zum Verdichten unterschiedlicher Gase, wie Kältemittel, Luft oder Prozessgase, von einem niederen Druckniveau auf ein höheres Druckniveau sind überwiegend als Verdrängermaschinen ausgebildet. Verdrängermaschinen, wie Hubkolbenverdichter, Rotationskolbenverdichter oder Scrollverdichter, weisen jeweils mindestens einen mit dem Fluid beaufschlagten und abgeschlossen Arbeitsraum auf. Durch eine Reduktion des Volumens des Arbeitsraums wird der Verdichtungseffekt des Gases bewirkt.Compressors known from the prior art as devices for compressing the fluid, in particular for compressing different gases, such as refrigerants, air or process gases, from a lower pressure level to a higher pressure level are predominantly designed as displacement machines. Displacement machines, such as reciprocating piston compressors, rotary piston compressors or scroll compressors, each have at least one closed-off working space that is acted upon by the fluid. The compression effect of the gas is brought about by reducing the volume of the working space.
Der Gaswechsel, entweder als Vorgang des Einlassens des zu verdichtenden Gases durch eine Einlassöffnung in den Arbeitsraum oder als Vorgang des Auslassens des verdichteten Gases durch eine Auslassöffnung aus dem Arbeitsraum, kann jeweils mit Hilfe eines selbsttätigen Ventils gesteuert werden. Die Öffnungen sind dabei durch das Ventil verschlossen und werden durch eine Bewegung des Ventils gezielt geöffnet.The gas exchange, either as a process of letting the gas to be compressed into the working space through an inlet opening or as a process of letting out the compressed gas from the working space through an outlet opening, can be controlled in each case with the aid of an automatic valve. The openings are closed by the valve and are opened in a targeted manner by a movement of the valve.
Herkömmliche Ventile der Auslassöffnung 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. Ebenso können die Ventile der Einlassöffnung als Lamellenventile ausgebildet sein, welche neben dem Einlassen des Fluids in den Arbeitsraum auch ein Zurückströmen des Fluids aus dem Arbeitsraum in einen Ansaugbereich des Verdichters verhindern.Conventional valves of the outlet opening 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. Likewise, the valves of the inlet opening can be designed as lamellar valves which, in addition to letting the fluid into the working chamber, also prevent the fluid from flowing back out of the working chamber into an intake area of the compressor.
Das Lamellenventil weist ein als Lamelle oder als Zunge ausgebildetes Ventilelement und ein Anschlagelement für das Ventilelement, auch als Hubbegrenzung oder Hubfänger des Ventilelements bekannt, auf. Das als ein dünnes Ventilblech ausgebildete lamellenförmige Ventilelement gibt infolge einer federnden, elastischen Verformung die entsprechende, in einer Ventilwandung vorgesehene Öffnung frei. Im unverformten Zustand des lamellenförmigen Ventilelements ist die Öffnung mittels des Ventilelements verschlossen. Dabei ist das Ventilelement an einem ersten Ende einseitig neben der Öffnung an der Ventilwandung angeordnet eingespannt. Das zum ersten Ende distal ausgebildete freie zweite Ende des Ventilelements liegt im geschlossenen Zustand des Ventils vollumfänglich um die zu verschließende Öffnung an der Ventilwandung an. Zudem können die Lamellenventile vorgespannt montiert sein, um zum Beispiel in der Ruhelage die Öffnung sicher zu verschließen.The lamellar valve has a valve element designed as a lamella or as a tongue and a stop element for the valve element, also known as a stroke limiter or stroke catcher of the valve element. The lamellar valve element, which is designed as a thin valve plate, releases the corresponding opening provided in a valve wall as a result of resilient, elastic deformation. In the non-deformed state of the lamellar valve element, the opening is closed by means of the valve element. The valve element is clamped at a first end on one side next to the opening on the valve wall. In the closed state of the valve, the free second end of the valve element, which is formed distal to the first end, rests against the valve wall around the opening to be closed. In addition, the lamellar valves can be installed preloaded, for example to securely close the opening in the rest position.
Unter einer Lamelle ist folglich 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 therefore 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.
Das Lamellenventil wird stets geöffnet, wenn in Strömungsrichtung des zu verdichtenden Fluids ein positiver Differenzdruck anliegt, das heißt, wenn das Fluid auf der Anströmseite des Ventilelements einen höheren Druck aufweist als auf der Abströmseite. Beim Vorgang des Öffnens kann sich das Ventilelement an das Anschlagelement anlegen, sodass der Hubweg des Ventilelements begrenzt ist.The lamellar valve is always opened when there is a positive differential pressure in the direction of flow of the fluid to be compressed, ie when the fluid has a higher pressure on the inflow side of the valve element than on the outflow side. During the opening process, the valve element can rest against the stop element, so that the stroke of the valve element is limited.
Bei den Vorgängen des Öffnens und des Schließens kann das Ventilelement in Schwingungen versetzt werden, was die Fluidströmung beim Durchströmen des Ventils behindert und dadurch die Effizienz des Betriebs des Verdichters verringert. Speziell bei hohen Lastbedingungen des Verdichters, das heißt bei hohen Drehzahlen des Verdichters und hohem Förderdruck des Fluids kann das Anlegen des Ventilelements am Anschlagelement oder an der Ventilwandung als Ventilsitz lediglich punktuell beziehungsweise bei extrem hohen Auftreffgeschwindigkeiten erfolgen, was zu einem erhöhten Verschleiß oder sogar Versagen, insbesondere zum Brechen des Ventilelements und damit zu einer verkürzten Lebensdauer und zu unerwünschten Geräuschen führt.During the opening and closing operations, the valve member may vibrate, impeding fluid flow through the valve and thereby reducing the efficiency of compressor operation. Especially under high load conditions of the compressor, i.e. at high speeds of the compressor and high delivery pressure of the fluid, the application of the valve element to the stop element or to the valve wall as a valve seat can only occur selectively or at extremely high impact speeds, which leads to increased wear or even failure. leads in particular to the breaking of the valve element and thus to a shortened service life and unwanted noise.
Herkömmliche lamellenförmige Ventilelemente sind aus einem homogenen Material, speziell einem Federstahl, wie rostfreien martensitischen Stahl, ausgebildet. Dabei sind unterschiedliche geometrische Konzepte sowohl für das Ventilelement als auch den Ventilsitz, sowie Verfahren zur Oberflächenbearbeitung und Oberflächenbehandlung bekannt, welche insbesondere zu einer minimalen Geräuschemission beitragen sollen.Conventional lamellar valve elements are formed from a homogeneous material, specifically spring steel such as martensitic stainless steel. Different geometric concepts are known for both the valve element and the valve seat, as well as methods for surface processing and surface treatment, which are intended to contribute in particular to minimal noise emissions.
In der
Auch aus der
Die aus dem Stand der Technik bekannten Ventilelemente betreffen im Wesentlichen druckseitige und damit an der Auslassöffnung angeordnete Ventile sowie deren Verhalten beim Aufprallen auf dem Ventilsitz oder am Anschlagelement. Saugseitige und damit an der Einlassöffnung angeordnete Ventile bleiben unberücksichtigt. Die bekannten lamellenförmigen Ventilelemente erlauben zudem beispielsweise keine Optimierung der Schließzeiten der selbsttätigen Ventile, was sich auf die Effizienz beim Betrieb des Verdichters und damit auf einen minimierten Bedarf an elektrischer Energie auswirkt.The valve elements known from the prior art relate essentially to valves on the pressure side and therefore arranged at the outlet opening, and their behavior when they hit the valve seat or the stop element. Valves on the suction side and thus arranged at the inlet opening are not taken into account. The known lamellar valve elements also do not allow, for example, any optimization of the closing times of the automatic valves, which affects the efficiency of the operation of the compressor and thus minimizes the need for electrical energy.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zum Steuern des Durchflusses des Fluids, insbesondere des gasförmigen Fluids, durch eine Einlassöffnung oder eine Auslassöffnung, speziell ein Ventil, einer Vorrichtung zum Verdichten des Fluids, insbesondere eines Verdichters, zur Verfügung zu stellen. Das Ventil soll eine maximale Lebensdauer auch unter hohen Lastanforderungen aufweisen. Dabei sollen speziell die mechanischen Belastungen des Ventilelements möglichst gering sein. Zudem sind die Pulsationen während der Ladungswechsel und damit die Geräuschemissionen des Ventils zu minimieren. Die Kosten für die Herstellung des Ventils und den Betrieb des Verdichters sollen minimal sein. Insbesondere über die Schließzeiten des Ventils sollte der Energiebedarf des Verdichters möglichst gering sein.The object of the present invention is to provide a device for controlling the flow of the fluid, in particular the gaseous fluid, through an inlet opening or an outlet opening, especially a valve, of a device for compressing the fluid, in particular a compressor. The valve should have a maximum service life even under high load requirements. The mechanical loads on the valve element should be as low as possible. In addition, the pulsations during the gas exchange and thus the noise emissions of the valve must be minimized. The cost of manufacturing the valve and running the compressor should be minimal. The energy requirement of the compressor should be as low as possible, particularly over the closing times of the valve.
Die Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Steuern eines Durchflusses eines Fluids durch mindestens eine in einer Wandung ausgebildete Durchlassöffnung, insbesondere ein Ventil, einer Vorrichtung zum Fördern oder Verdichten des Fluids gelöst. Die Vorrichtung zum Steuern des Durchflusses des Fluids weist ein lamellenförmiges Ventilelement auf, welches mit einem ersten Ende an der Wandung in einem Bereich eines Randes der Durchlassöffnung fixiert und mit einem zum ersten Ende distal ausgebildeten freien zweiten Ende die Durchlassöffnung verschließbar angeordnet ist. Die Vorrichtung zum Steuern des Durchflusses ist vorzugsweise als ein selbsttätiges Ventil für ein gasförmiges Fluid sowie eine Vorrichtung zum Verdichten des gasförmigen Fluids vorgesehen.The object is achieved by a device according to the invention for controlling a flow of a fluid through at least one passage opening formed in a wall, in particular a valve, of a device for conveying or compressing the fluid. The device for controlling the flow of the fluid has a lamellar valve element, which is fixed with a first end to the wall in a region of an edge of the passage opening and is arranged to be closable with a free second end distal to the first end. The device for controlling the flow is preferably provided as an automatic valve for a gaseous fluid and a device for compressing the gaseous fluid.
Nach der Konzeption der Erfindung ist das Ventilelement aus mindestens zwei voneinander verschiedenen Materialien mehrschichtig derart ausgebildet, dass eine Struktur des Ventilelements eine inhomogene Materialverteilung aufweist. Dabei ist jede Schicht des Ventilelements aus einem metallischen Material ausgebildet.According to the conception of the invention, the valve element is made of at least two different materials in multiple layers such that a structure of the valve element has an inhomogeneous material distribution. In this case, each layer of the valve element is formed from a metallic material.
Unter mehrschichtig ist folglich eine schichtartige Struktur aus mindestens zwei Schichten zu verstehen.Consequently, multi-layer means a layer-like structure composed of at least two layers.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist das Ventilelement mit den unterschiedlichen Materialen der Schichten in einem Schritt gemeinsam gewalzt hergestellt. Alternativ oder jeweils in einer Kombination kann das Ventilelement auch über Beschichten, Spritzen oder Kleben aus den unterschiedlichen Materialien hergestellt sein.According to a development of the invention, the valve element is rolled together with the different materials of the layers in one step. Alternatively or in each case in a combination, the valve element can also be produced from the different materials by coating, spraying or gluing.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist mindestens eine Schicht des mehrschichtigen Ventilelements aus rostfreiem martensitischen Stahl oder rostfreiem austenitischen Stahl als Material ausgebildet.According to a preferred embodiment of the invention, at least one layer of the multilayer valve element is made of martensitic stainless steel or austenitic stainless steel as the material.
Nach einer ersten alternativen Ausgestaltung der Erfindung weist mindestens eine erste Schicht rostfreien martensitischen Stahl und mindestens eine zweite Schicht rostfreien austenitischen Stahl als Material auf.According to a first alternative embodiment of the invention, at least a first layer has stainless martensitic steel and at least a second layer has stainless austenitic steel as the material.
Bei einer Ausbildung des Ventilelements aus mindestens drei Schichten kann für eine erste Schicht als Material rostfreier martensitischer Stahl, für eine zweite Schicht als Material rostfreier austenitischer Stahl und für eine dritte Schicht als Material rostfreier martensitischer Stahl vorgesehen sein.If the valve element is formed from at least three layers, stainless martensitic steel can be used as the material for a first layer, stainless austenitic steel can be used as the material for a second layer, and stainless martensitic steel can be used as the material for a third layer.
Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass der rostfreie austenitische Stahl mit durch Zwillingsbildung induzierter Plastizität, auch kurz als TWIP-Stahl für englisch „Twinning Induced Plasticity“ bezeichnet, ausgebildet ist.One advantage of the invention is that the stainless austenitic steel is designed with plasticity induced by twinning, also known as TWIP steel for short.
Nach einer zweiten alternativen Ausgestaltung der Erfindung dient für mindestens eine erste Schicht rostfreier martensitischer Stahl als Material, während für mindestens eine zweite Schicht eine Titanlegierung oder eine Aluminiumknetlegierung oder eine Nickelbasislegierung als Material dient. Dabei ist insbesondere eine zur Wandung mit der Durchlassöffnung weisende Schicht aus der Titanlegierung beziehungsweise der Aluminiumknetlegierung ausgebildet.According to a second alternative embodiment of the invention, stainless martensitic steel is used as the material for at least a first layer, while a titanium alloy or an aluminum wrought alloy or a nickel-based alloy is used as the material for at least a second layer. In this case, in particular, a layer facing the wall with the passage opening is made of the Titanle alloy or the wrought aluminum alloy.
Die Materialien der unterschiedlichen Schichten des Ventilelements weisen vorteilhaft unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten auf. Dabei kann das Ventilelement mit einer temperaturabhängigen Vorspannung ausgebildet sein. Alternativ kann das Ventilelement bei einer Ausbildung mit mindestens drei Schichten eine temperaturunabhängige Vorspannung aufweisen.The materials of the different layers of the valve element advantageously have different coefficients of thermal expansion. The valve element can be designed with a temperature-dependent preload. As an alternative, the valve element can have a temperature-independent pretension in the case of an embodiment with at least three layers.
Die Auswahl der Materialien erfolgt gemäß den geforderten thermischen und mechanischen Randbedingungen. Dabei wird stets eine geräuschminimierte Betriebsweise im Zusammenspiel mit möglichen verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten der eingesetzten Materialien unter Berücksichtigung eines positiven Einflusses auf das Schließverhalten des Ventilelements und somit die Effizienz beim Betrieb des Verdichters angestrebt.The materials are selected according to the required thermal and mechanical boundary conditions. The aim is always a noise-minimized mode of operation in conjunction with possible different thermal expansion coefficients of the materials used, taking into account a positive influence on the closing behavior of the valve element and thus the efficiency during operation of the compressor.
Das Ventilelement ist vorzugsweise mit einer konstanten Wandstärke, beispielsweise im Bereich von 0,1 mm bis 1,0 mm, ausgebildet. Dabei können, insbesondere bei einer Ausbildung von mindestens drei Schichten, außenliegende Schichten des Ventilelements eine Wandstärke im Bereich von 10 % bis 25 % der Gesamtwandstärke des Ventilelements aufweisen.The valve element is preferably designed with a constant wall thickness, for example in the range from 0.1 mm to 1.0 mm. In this case, in particular when at least three layers are formed, outer layers of the valve element can have a wall thickness in the range from 10% to 25% of the total wall thickness of the valve element.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Durchlassöffnung als eine Auslassöffnung oder als eine Einlassöffnung ausgebildet. Damit kann das Ventil entweder als ein Auslassventil oder als ein Einlassventil dienen.According to a further advantageous embodiment of the invention, the passage opening is designed as an outlet opening or as an inlet opening. Thus, the valve can serve as either an outlet valve or an inlet valve.
Die Vorrichtung zum Steuern des Durchflusses des Fluids ist vorzugsweise mit einem Anschlagelement zum Begrenzen des Weges, insbesondere des Hubweges, des Ventilelements beim Öffnen der Durchlassöffnung ausgebildet.The device for controlling the flow of the fluid is preferably designed with a stop element for limiting the path, in particular the stroke path, of the valve element when the passage opening is opened.
Die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht die Ausbildung einer Vorrichtung zum Verdichten eines gasförmigen Fluids, insbesondere eines Kältemittels, mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Steuern des Durchflusses des Fluids durch die mindestens eine in der Wandung ausgebildete Durchlassöffnung.The advantageous embodiment of the invention enables the formation of a device for compressing a gaseous fluid, in particular a refrigerant, with the device according to the invention for controlling the flow of the fluid through the at least one passage opening formed in the wall.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Steuern des Durchflusses des insbesondere gasförmigen Fluids weist zusammenfassend weitere diverse Vorteile auf:
- - Ausschließen möglicher Fehlerszenarien, da die Dämpfung des Ventilelements beim Auftreffen auf die Wandung als Ventilsitz beziehungsweise auf das Anschlagelement die mechanischen Belastungen des Ventils minimiert, dadurch maximale Haltbarkeit beziehungsweise Lebensdauer auch unter hohen Lastanforderungen, wie hohen Drehzahlen des Verdichters über einen maximalen Zeitraum,
- - minimale Schallemissionen von Druckventilen beziehungsweise Saugventilen, insbesondere infolge Körperschall und Vibrationen, durch Minimieren von Pulsationen im Verdichter während der Ladungswechsel,
- - optimal kurze Schließzeiten und Minimieren des sogenannten Ventilflatterns durch eine geeignete Materialauswahl und Materialanordnung, dadurch minimaler Energiebedarf zum Antreiben des Verdichters, insbesondere minimaler Bedarf an elektrischer Antriebsenergie, und
- - minimale Geschwindigkeit des Ventilelements am freien zweiten Ende durch Verwendung eines Materials mit geringem Elastizitätsmodul und damit durch Reduzieren von Zugspannungen beim Schließen des Ventils.
- - Elimination of possible error scenarios, since the damping of the valve element minimizes the mechanical stress on the valve when it hits the wall as the valve seat or the stop element, thereby maximizing durability and service life even under high load requirements, such as high compressor speeds over a maximum period of time,
- - Minimum noise emissions from pressure valves or suction valves, in particular as a result of structure-borne noise and vibrations, by minimizing pulsations in the compressor during gas exchange,
- - optimally short closing times and minimization of the so-called valve flutter through a suitable choice of material and material arrangement, thereby minimal energy requirement for driving the compressor, in particular minimal requirement for electrical drive energy, and
- - Minimum speed of the valve element at the free second end by using a material with a low modulus of elasticity and thus by reducing tensile stresses when closing the valve.
Mit dem vorteilhaften Einsatz verschiedener Materialien innerhalb der Schichten des Ventilelements ist es möglich, bei einem bereits aufgetretenen Riss an der Außenseite des Ventilelements eine weitere Ausdehnung der Rissbildung zu verhindern, auch als Riss-Stopper bezeichnet. Damit kann ein vollständiger Bruch des Ventilelements verhindert werden, was auch zum Erhöhen der Lebensdauer sowie der Sicherheit des Ventils, des Verdichters und einer gesamten Anlage beiträgt.With the advantageous use of different materials within the layers of the valve element, it is possible to prevent further expansion of the crack formation, also referred to as a crack stopper, if a crack has already occurred on the outside of the valve element. With this, complete breakage of the valve element can be prevented, which also contributes to increasing the service life and safety of the valve, the compressor and an entire system.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels mit Bezugnahme auf die zugehörige Zeichnung.Further details, features and advantages of the invention result from the following description of an exemplary embodiment with reference to the associated drawing.
In der Figur ist eine Vorrichtung 1 zum Steuern des Durchflusses eines Fluids einer Vorrichtung zum Fördern oder Verdichten eines Fluids, insbesondere ein Ventil 1, in geöffnetem Zustand in einer seitlichen Darstellung gezeigt. Das Fluid liegt vorzugsweise in einem gasförmigen Aggregatszustand vor, sodass die Vorrichtung zum Verdichten eines gasförmigen Fluids und folglich als ein Verdichter ausgebildet ist.In the figure, a device 1 for controlling the flow of a fluid of a device for conveying or compressing a fluid, in particular a valve 1, is shown in the open state in a side view. The fluid is preferably present in a gaseous state of aggregation, so that the device is designed for compressing a gaseous fluid and consequently as a compressor.
Die Vorrichtung 1 weist eine in einer durch die Richtungen x und z aufgespannten Ebene ausgerichtete Wandung 2, beispielsweise eine Gehäusewandung, auch als Ventilwandung bezeichnet, mit einer Durchlassöffnung 3 und ein Ventilelement 5 auf. Die Durchlassöffnung 3 weist vorzugsweise einen kreisrunden Strömungsquerschnitt mit einer in Richtung y ausgerichteten Symmetrieachse 4 auf.The device 1 has a
Bei einer Ausbildung der Durchlassöffnung 3 als eine Einlassöffnung wird das Fluid durch das geöffnete Ventil 1 aus einem Ansaugbereich angesaugt und strömt durch die Durchlassöffnung 3 in einen Arbeitsraum des Verdichters ein. Wenn die Durchlassöffnung 3 als eine Auslassöffnung ausgebildet ist, strömt das verdichtete Fluid durch das geöffnete Ventil 1 aus dem Arbeitsraum aus. Die Durchlassöffnung 3 wird mittels des als Lamelle ausgebildeten Ventilelements 5 geschlossen und geöffnet.In a formation of the
Dabei wird das Ventil 1 geöffnet, wenn in Strömungsrichtung 6 des Fluids ein positiver Differenzdruck anliegt, bei welchem auf der Anströmseite des Ventilelements 5 ein höherer Druck anliegt als auf der Abströmseite. Neben dem in Bewegungsrichtung 7 beweglichen Ventilelement 5 weist das Ventil 1 ein nicht dargestelltes, wegbegrenzendes Anschlagelement für das Ventilelement 5 auf. Beim Vorgang des Öffnens kann sich das Ventilelement 5 je nach vorherrschender Druckdifferenz an das Anschlagelement anlegen, welches dabei einen Hubweg d des Ventilelements 5 begrenzt. Im geschlossenen Zustand des Ventils 1 liegt das Ventilelement 5 vollumfänglich um die Durchlassöffnung 3 an der Wandung 2 an.The valve 1 is opened when a positive differential pressure is present in the flow direction 6 of the fluid, at which pressure the pressure on the inflow side of the
Das Ventilelement 5 ist an einem ersten Ende 8 an der Wandung 2 fixiert. Das erste Endes 8 des Ventilelements 5 ist in einem Befestigungsbereich des Ventils 1 angeordnet. An einem distal zum ersten Ende 8 ausgebildeten frei beweglichen zweiten Ende 9 weist das Ventilelement 5 einen Schließbereich auf.The
Das den Strömungsquerschnitt der Durchlassöffnung 3 öffnende oder verschließende Ventilelement 5 ist im Befestigungsbereich des Ventils 1 gemeinsam mit dem Anschlagelement an der Wandung 2 befestigt, beispielsweise angeschraubt. Dabei liegt das Anschlagelement am Ventilelement 5 und das Ventilelement 5 an der Wandung 2 an. Das Ventilelement 5 ist folglich zwischen der Wandung 2 und dem Anschlagelement fixiert.The
Am freien zweiten Ende 9 des Ventilelements 5 ist das Anschlagelement mit maximaler Entfernung von der Wandung 2 beabstandet angeordnet. Der Abstand zwischen der Wandung 2 und dem Anschlagelement nimmt in Richtung des freien zweiten Endes 9 des Ventilelements 5 stetig zu. Die in der Richtung y zum Ventilelement 5 weisende Unterseite des Anschlagelements ist korrespondierend zur Oberseite des Ventilelements 5 ausgebildet, sodass das Ventilelement 5 möglichst vollflächig am Anschlagelement anliegt.At the free
Das Ventilelement 5 weist eine Struktur einer inhomogenen Materialverteilung auf, welche die entsprechenden Eigenschaften des Ventilelements 5 beeinflusst. Dabei ist das Ventilelement 5 gemäß der in der Figur gezeigten Ausführungsform aus verschiedenen, in Schichten angeordneten Materialien 5a, 5b, 5c und damit mehrschichtig ausgebildet. Die verschiedenen Materialien 5a, 5b, 5c können als Ausgangsprodukt für das Ventilelement 5 gemeinsam ausgewalzt sein. Alternativ kann das Ventilelement 5 auch über unterschiedliche Beschichtungen mit den Materialien 5a, 5b, 5c erzeugt werden.The
Die verschiedenen Schichten, insbesondere benachbart zueinander angeordnete Schichten, sind aus jeweils unterschiedlichen Materialien 5a, 5b, 5c beziehungsweise Werkstoffen ausgebildet. Als Materialien dienen insbesondere verschiedene Stähle, wie Paarungen jeweils aus rostfreien austenitischen Stählen oder rostfreien martensitischen Stählen oder Paarungen eines rostfreien austenitischen Stahls mit einem rostfreien martensitischen Stahl.The various layers, in particular layers arranged adjacent to one another, are each formed from
Die martensitischen Stähle, welche vorzugsweise in gehärtetem und angelassenem Zustand vorliegen, können Chrom im Bereich von 13,0 Massen-% bis 19,0 Massen-% beziehungsweise Kohlenstoff im Bereich von 0,2 Massen-% bis 0,7 Massen-% aufweisen. Zudem können die martensitischen Stähle mit Anteilen an Molybdän, Kupfer, Nickel, Vanadium, Niob oder Stickstoff ausgebildet sein.The martensitic steels, which are preferably in the hardened and tempered state, can contain chromium in the range from 13.0% by mass to 19.0% by mass or carbon in the range from 0.2% by mass to 0.7% by mass . In addition, the martensitic steels can be formed with proportions of molybdenum, copper, nickel, vanadium, niobium or nitrogen.
Die austenitischen Stähle können Chrom im Bereich von 10,0 Massen-% bis 20,0 Massen-%, Nickel im Bereich von 0 bis 10,0 Massen-% beziehungsweise Mangan im Bereich von 0 bis 21,0 Massen-% aufweisen.The austenitic steels can contain chromium in the range from 10.0% by mass to 20.0% by mass, nickel in the range from 0 to 10.0% by mass or manganese in the range from 0 to 21.0% by mass.
Besonders vorteilhafte Eigenschaften zum Dämpfen der Bewegungen, insbesondere der Geschwindigkeiten beim Aufprallen des Ventilelements 5 an der Wandung 2 oder am Anschlagelement und damit auch zum Verringern von Geräuschemissionen werden mit Werkstoffkombinationen beziehungsweise Kombinationen von Materialien 5a, 5b 5c aus mindestens einem rostfreien martensitischen Stahl mit mindestens einem rostfreien austenitischen Stahl mit durch Zwillingsbildung induzierter Plastizität ausgebildet. Dabei werden die Schwingungen des Ventilelements 5 infolge einer vergrößerten Dämpfung in der Werkstoffkombination und folglich innerhalb des Ventilelements 5 minimiert, was neben dem Schwingungsverhalten auch die Geräuschemissionen des Ventils 1 und damit des Verdichters stark verringert.Material combinations or combinations of
Die das Schließverhalten beeinflussenden Eigenschaften des Ventilelements 5, insbesondere das Verkürzen der Schließzeiten und das Verringern des sogenannten Flatterns des Ventils 1, werden mit der Ausbildung des Ventilelements 5 aus Werkstoffkombinationen beziehungsweise Kombinationen von Materialien 5a, 5b 5c aus mindestens einem rostfreien martensitischen Stahl und einer Titanlegierung oder einer Aluminiumknetlegierung erzielt. Auch Nickelbasislegierungen sind als Material 5a, 5b, 5c denkbar.The properties of the
Besonders vorteilhafte Eigenschaften zum Vermeiden von Risswachstum innerhalb des Ventilelements 5 oder gar eines Bruchs des Ventilelements 5 werden mit Schichtstrukturen beziehungsweise Kombinationen von Materialien 5a, 5b 5c aus rostfreien martensitischen Stahl - rostfreien austenitischen Stahl - rostfreien martensitischen Stahl erreicht. Die unterschiedlichen Materialübergänge innerhalb des inhomogenen Materialaufbaus des Ventilelements 5 wirken als Riss-Stopper, was die Lebensdauer und Zuverlässigkeit des Ventilelements 5 beziehungsweise des Ventils 1 und damit auch des Verdichters maximiert.Particularly advantageous properties for avoiding crack growth within the
Mit der Ausbildung einer mindestens binären Schichtung verschiedener Materialien 5a, 5b, 5c mit jeweils unterschiedlichem Wärmeausdehnungskoeffizienten als Basis für das Ventilelement 5 werden zudem weitere Eigenschaften des Ventilelements 5 gezielt beeinflusst. So kann die Vorspannung des Ventilelements 5 temperaturabhängig zunehmend oder abnehmend konfiguriert werden. Damit kann das Ventilelement 5 bei hohen Lasten, welche meist mit einer hohen Druckgastemperatur einhergehen, selbsttätig stärker vorgespannt sein und im Teillastbetrieb bei vorwiegend geringeren Druckgastemperaturen eine geringere Vorspannung annehmen. Des Weiteren können ausgewählte Materialien 5a, 5b 5c, insbesondere in einer mindestens dreifachen Schichtung, derart angeordnet werden, dass sich aufgrund von Temperaturänderungen am Ventilelement 5 keine geänderte Vorspannung des Ventilelements 5 ergibt und die Vorspannung damit von der Temperatur oder der Temperaturänderung unabhängig ist.With the formation of an at least binary layering of
Bezugszeichenlistereference list
- 11
- Vorrichtung, Ventildevice, valve
- 22
- Wandungwall
- 33
- Durchlassöffnungpassage opening
- 44
-
Symmetrieachse Durchlassöffnung 3Axis of
symmetry passage opening 3 - 55
- Ventilelementvalve element
- 5a5a
- erstes Materialfirst material
- 5b5b
- zweites Materialsecond material
- 5c5c
- drittes Materialthird material
- 66
- Strömungsrichtung Fluidflow direction fluid
- 77
-
Bewegungsrichtung Ventilelement 5Direction of movement of
valve element 5 - 88th
-
erstes Ende Ventilelement 5first
end valve element 5 - 99
-
zweites Ende Ventilelement 5
second
end valve element 5 - di.e
- Hubwegstroke distance
- x, y, zx, y, z
- RichtungDirection
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
- DE 102015120862 A1 [0010]DE 102015120862 A1 [0010]
- EP 0016449 A1 [0011]EP 0016449 A1 [0011]
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Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
| EP0016449A1 (en) | 1979-03-26 | 1980-10-01 | Knorr-Bremse Ag | Valve lamina, especially for air compressor |
| DE102015120862A1 (en) | 2015-12-01 | 2017-06-01 | Elringklinger Ag | valve blade |
| DE102016223497A1 (en) | 2016-11-28 | 2018-05-30 | Volkswagen Aktiengesellschaft | Valve unit and compressor with such a valve unit |
-
2021
- 2021-10-12 DE DE102021126368.9A patent/DE102021126368A1/en not_active Withdrawn
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