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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Regeln eines Durchflusses und Expandieren eines Fluids in einem Fluidkreislauf, insbesondere eines Kältemittels in einem Kältemittelkreislauf eines Klimatisierungssystems eines Kraftfahrzeugs. Die Vorrichtung weist ein Gehäuse und ein im Inneren des Gehäuses angeordnetes Ventilelement auf. Das Ventilelement ist in einer Linearbewegung in Richtung einer Längsachse relativ zum Gehäuse bewegbar angeordnet.
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Die aus der Entdeckung der Zerstörung des Ozons in der Stratosphäre, insbesondere durch chlorhaltige Kältemittel, und dem daraus folgenden Verbot derartiger Kältemittel resultierende Ersatzkältemitteldiskussion zeigte verschiedene Lösungen auch mit dem Einsatz natürlicher Kältemittel auf. Energetische, sicherheitstechnische beziehungsweise thermodynamische Eigenschaften der umweltschonenden Kältemittel, wie Kohlendioxid, Ammoniak, Wasser und Luft, schränken jedoch einen breiten Einsatz der Kältemittel ein. Ausgehend von den genannten natürlichen Kältemitteln scheint Kohlendioxid der einzige sicherheitstechnisch unbedenkliche und thermodynamisch geeignete Eigenschaften aufweisende Arbeitsstoff für den Einsatz in Kältemittelkreisläufen von Kompressionskältemaschinen, insbesondere in Kraftfahrzeugen, zu sein.
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Der Arbeitsprozess mit Kohlendioxid als Kältemittel unterscheidet sich von Prozessen mit anderen Kältemitteln thermodynamisch insbesondere in den entsprechenden Druckniveaus und entsprechend beispielsweise einer überkritischen Wärmeabgabe, das heißt einer isobaren, nichtisothermen Zustandsänderung des Kältemittels gegenüber einer isobaren, isothermen Zustandsänderung einer unterkritischen Wärmeabgabe in einem klassischen Kaltdampfprozess, beispielsweise mit R134a oder R290 als Kältemittel. Die Bezeichnung überkritische und unterkritische Wärmeabgabe bezieht sich dabei auf den kritischen Punkt als charakteristischen Zustand des Kältemittels. Mit einer überkritischen Wärmeabgabe wird der Prozess auch als transkritischer Prozess bezeichnet. Der Vorgang der Expansion des Kältemittels innerhalb des Kreisprozesses, welcher bekanntlich auf den Vorgang der Wärmeabgabe folgt, beginnt auf einem wesentlich höheren Druckniveau als bei Prozessen mit herkömmlichen Kältemitteln.
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Ein Ventil als eine Vorrichtung zum Regeln eines Durchflusses und Expandieren eines Kältemittels, insbesondere ein Expansionsventil, erfüllt die Funktionen des Abdichtens im geschlossenen Zustand, des Regelns eines Massenstroms beziehungsweise Expandierens des Kältemittels gemäß einer Kennlinie sowie ein Durchlassen bei Vollast bei maximal geöffnetem Strömungsquerschnitt. Der Betrieb mit maximal geöffnetem Strömungsquerschnitt des Ventils ermöglicht ein Durchströmen des Kältemittels unter minimalem beziehungsweise ohne nennenswerten Druckverlust.
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Das Ventil sollte neben den genannten Funktionen zudem weitere Kriterien erfüllen. Dabei sollte der Übergang zwischen den Funktionen Abdichten und Regeln beziehungsweise Expandieren möglichst kontinuierlich und damit ohne einen Sprung innerhalb der entsprechenden Kennlinie erfolgen. Das Abdichten ist auch in einem unbestromten Zustand eines elektromotorisch angetriebenen Ventils zu gewährleisten, das Ventil sollte folglich selbstdichtend beziehungsweise selbsthemmend ausgebildet sein. Das Ventil ist für ein beidseitig anliegendes Druckgefälle zu konfigurieren. Dabei kann die Druckdifferenz bis zu 100 bar betragen. Das Ventil sollte in einem Temperaturbereich von - 40 °C bis + 150 °C einzusetzen sein.
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In der
DE 10 2016 013 492 A1 wird ein elektrisch angetriebenes Expansionsventil und Absperrventil für den Betrieb mit dem Kältemittel R744 offenbart. Das Ventil weist einen in einer Ventilkörperkammer angeordneten Ventilkörper sowie einen Dichtungssitz und eine Dichtung, welche entlang einer axialen Bewegungsrichtung des Ventilkörpers innerhalb des Ventils ausgerichtet sind, auf.
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Aus dem Stand der Technik bekannte Vorrichtungen zum Regeln eines Durchflusses und Expandieren eines Kältemittels weisen einen Elektromotor zum Antreiben einer Antriebswelle auf, welche in eine Rotationsbewegung versetzt wird. Die Rotationsbewegung der Antriebswelle um eine Längsachse wird vorrichtungsintern über eine Übertragungsanordnung mit einem Bewegungsgewinde in eine translatorische Hubbewegung eines vorzugsweise als eine Ventilnadel ausgebildeten Ventilelements übertragen. Das Ventilelement wird in axialer Richtung und damit in Richtung der Längsachse linear innerhalb eines Ventilsitzelements bewegt.
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Das Ventilelement wird mit unterschiedlichem Druck beaufschlagt. Dabei sind sämtliche druckbeaufschlagte Flächen des Ventilelements derart ausgelegt, dass sich die auf das Ventilelement einwirkenden Druckkräfte im Gleichgewicht befinden.
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Zudem ist das Ventilelement über Dichtelemente zum internen Abdichten der mit unterschiedlichen Druckniveaus beaufschlagten Bereiche, wie einer Hochdruckseite und einer Niederdruckseite eines Kältemittelkreislaufs, zum Gehäuse hin beziehungsweise zum Ventilsitzelement abgedichtet. Beim Bewegen des Ventilelements in axialer Richtung wird das nadelförmige Ventilelement nicht geführt, das Ventilelement wird durch Einschieben in einen offenen Querschnitt einer umfänglich geschlossenen Ventilsitzdichtung entlang einer kegelförmigen Regelfläche positioniert. Dabei ist das Positionieren des nicht geführten Ventilelements zum Ventilsitzelement nicht fest oder wiederholbar. Im geschlossenen Zustand des Ventils liegt das Ventilelement mit einer Dichtfläche vollumfänglich an einer Innenfläche der Ventilsitzdichtung an.
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Aufgrund der Auslegung des elektrischen Antriebs steht nur eine begrenzte Kraft zum Bewegen der Ventilnadel zur Verfügung. Zudem ist ein dichtes Anliegen der Ventilnadel an den Dichtelementen auch im unbestromten Zustand des Elektromotors sowie bei Temperaturen von -40 °C bis + 150 °C sicherzustellen. Durch das Erzeugen einer auf die Ventilnadel wirkenden und damit die Ventilnadel in das Ventilsitzelement pressenden Kraft, kann die Ventilnadel vom selbsthemmenden Bewegungsgewinde der Übertragungsanordnung gehalten werden. Allerdings führt eine Kombination der die Ventilnadel in das Ventilsitzelement pressenden Kraft mit einer Änderung der Temperatur und einer damit einhergehenden unterschiedlichen Ausdehnung der Komponenten des Ventils zu einem Verklemmen der Komponenten, sodass das Ventilelement unbeweglich fixiert ist.
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Eine weitere Möglichkeit der Ausbildung des Ventils ist ein definiertes Klemmen der Ventilnadel am Ventilsitzelement, insbesondere an der zwischen einem Gehäuse, dem Ventilsitzelement und der Ventilnadel angeordneten Ventilsitzdichtung. Dabei ist der Winkel des Dichtkegels derart zu wählen, dass im Dichtbereich eine Selbsthemmung erzielt und damit das Bewegungsgewinde entlastet wird. Dafür bedarf es jedoch einer sehr detaillierten und genauen Auslegung der Dichtkontur, da ein zu gering ausgebildeter Winkel des Dichtkegels zu einem Verklemmen der Ventilnadel innerhalb der Ventilsitzdichtung, und ein zu groß ausgebildeter Winkel des Dichtkegels zur Undichtheit zwischen der Ventilnadel und der Ventilsitzdichtung führt.
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Zudem erfordert ein derartiges Konzept sehr hohe Ansprüche an die Fertigung, speziell bezüglich der Oberflächen und der Geometrietoleranzen, insbesondere in Bezug auf die Toleranzkette der Komponenten, sodass das Fertigen und Messen sehr aufwendig und kostenintensiv sind. So ergibt sich zum Beispiel aufgrund der Lagerung der Antriebswelle innerhalb des Gehäuses und der Anordnung der Ventilnadel innerhalb des Ventilsitzelements eine Reihe aneinandergefügter Toleranzen mehrerer Komponenten. Dabei werden beispielsweise Fluchtungsfehler und andere Anordnungsungenauigkeiten über eine Spielpassung der Gewindeverbindung kompensiert, was zu einer undefinierbaren Belastung des Bewegungsgewindes führt.
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Eine besondere Herausforderung stellt auch die Toleranzkette zwischen der Ventilnadel und der Ventilsitzdichtung bezüglich der Dichtflächen oder der Dichtkanten dar. Die Ventilnadel und die Ventilsitzdichtung können mit einem Achsenversatz, das heißt in einer parallelen, aber von der koaxialen Ausrichtung der Längsachsen abweichenden Ausrichtung, beziehungsweise mit einem Winkelversatz und damit einer von der parallelen Ausrichtung der Längsachsen abweichenden Ausrichtung zueinander angeordnet sein. Zudem können die Geometrien der Ventilnadel und der Ventilsitzdichtung, insbesondere der Querschnitte senkrecht zur Längsachse und speziell bezüglich der gewünschten Kreisform, voneinander abweichen.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung und Verbesserung einer Vorrichtung zum Regeln eines Durchflusses und Expandieren eines Fluids in einem Fluidkreislauf, insbesondere in einem Kältemittelkreislauf, speziell eines Klimatisierungssystems eines Kraftfahrzeugs, welches die oben genannten Anforderungen erfüllt. Dabei ist insbesondere die Ausbildung der Vorrichtung bezüglich der Ventilsitzdichtung zur Aufnahme des Ventilelements derart flexibel zu gestalten, mögliche sich aus der Toleranzkette und aus Fertigungsungenauigkeiten ergebende Versätze und Geometrieabweichungen zu kompensieren, um die Zuverlässigkeit der Dichtwirkung zu verbessern, eventuelle Ungenauigkeiten verschiedener Komponenten zu relaxieren und ein ungewolltes Klemmen zu vermeiden. Die Vorrichtung soll im geschlossenen Zustand die Dichtwirkung insbesondere über einen maximalen Zeitraum aufrechterhalten. Zudem sollen die Herstellung einfach und damit die Herstellungskosten minimal sein. Die Vorrichtung soll in jedem Anwendungsfall, das heißt in einem großen Temperaturbereich und Druckbereich, zuverlässig betreibbar sein.
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Die Aufgabe wird durch die Gegenstände mit den Merkmalen der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum Regeln eines Durchflusses und Expandieren eines Fluids in einem Fluidkreislauf, insbesondere eines Kältemittels in einem Kältemittelkreislauf, gelöst. Die Vorrichtung weist ein Gehäuse mit mindestens zwei jeweils als eine Verbindung zu einem Anschluss zum Verbinden mit Fluidleitungen ausgebildeten Durchgangsöffnungen, welche in ein vom Gehäuse umschlossenes Volumen einmünden, sowie ein Ventilelement, ein Ventilsitzelement und ein Ventilsitz-Dichtelement zum Abdichten des Ventilelements auf.
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Das Ventilelement, das Ventilsitzelement und das Ventilsitz-Dichtelement sind im vom Gehäuse umschlossenen Volumen angeordnet. Das in einer Linearbewegung in Richtung einer Längsachse beweglich angeordnete Ventilelement ist je nach Stellung in das Ventilsitzelement hineinragend oder durch das Ventilsitzelement sowie das Ventilsitz-Dichtelement hindurchragend angeordnet.
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Die Symmetrieachsen der Durchgangsöffnungen der Anschlüsse des Gehäuses weisen vorteilhaft einen gemeinsamen Schnittpunkt auf, in welchem das Ventilelement angeordnet ist. Dabei kann die Durchgangsöffnung eines ersten Anschlusses des Gehäuses in einer radialen Richtung zur Längsachse der Vorrichtung ausgerichtet sein, während die Durchgangsöffnung eines zweiten Anschlusses des Gehäuses in Richtung der Längsachse angeordnet sein kann.
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Nach der Konzeption der Erfindung ist das Ventilsitz-Dichtelement innerhalb des Ventilsitzelements sowie zum Ventilelement und zum Ventilsitzelement beweglich angeordnet. Eine Längsachse des Ventilsitzelements und eine Längsachse des Gehäuses beziehungsweise der Vorrichtung sind identisch.
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Das Ventilelement ist vorteilhaft nadelförmig ausgebildet und sich mit der Längsachse in Richtung der Längsachse der Vorrichtung erstreckend ausgerichtet, sodass die Längsachsen der Vorrichtung, des Ventilsitzelements und des Ventilelements sowie die Symmetrieachse der Durchgangsöffnung des zweiten Anschlusses des Gehäuses vorzugsweise im Wesentlichen koaxial zueinander angeordnet sind.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist das Ventilsitz-Dichtelement mit einer um die Längsachse rotationssymmetrischen Durchgangsöffnung zur Aufnahme des Ventilelements ausgebildet. Dabei korrespondieren die Form der Mantelfläche des Ventilelements und Form der Umrandung der Durchgangsöffnung des Ventilsitz-Dichtelements miteinander, sodass das Ventilelement bei der Aufnahme durch das Ventilsitz-Dichtelement vollumfänglich vom Ventilsitz-Dichtelement umgeben ist. In einem geschlossenen Zustand der Vorrichtung liegt das Ventilelement mit einem Dichtbereich am Ventilsitz-Dichtelement an, während in einem geöffneten Zustand der Vorrichtung zwischen dem Ventilelement und dem Ventilsitz-Dichtelement vollumfänglich ein Spalt ausgebildet ist.
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Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Ventilsitz-Dichtelement aus einem, insbesondere in Richtung der Längsachse, elastisch verformbaren Material ausgebildet. Mit einer vorteilhaft scheibenförmigen Ausbildung, beispielsweise in der Form einer Tellerfeder oder Scheibenfeder aus einem Federstahl, kann das Ventilsitz-Dichtelement neben einem ersten Bereich auch einen zweiten Bereich aufweisen.
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Der erste Bereich des Ventilsitz-Dichtelements ist vorzugsweise im Wesentlichen in Form einer Kreisringscheibe mit zwei zur Längsachse konzentrisch ausgerichteten Kreisen ausgebildet. Dabei bilden die im ersten Bereich vorgesehene Durchgangsöffnung mit einem an einem inneren Radius umlaufenden Rand einen inneren Kreis und ein an einem äußeren Radius umlaufender Rand einen äußeren Kreis.
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Der innere Kreis und der äußere Kreis des ersten Bereichs des Ventilsitz-Dichtelements können je nach Krafteinwirkung auf das Ventilsitz-Dichtelement in einer gemeinsamen Ebene oder in unterschiedlichen Ebenen zueinander angeordnet sein. Dabei können die unterschiedlichen Ebenen der Kreise in Richtung der Längsachse beabstandet zueinander, insbesondere parallel, und/oder winklig zueinander ausgerichtet sein.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung, insbesondere des Ventilsitz-Dichtelements mit einem zweiten Bereich, weist das Ventilsitz-Dichtelement am am äußeren Radius umlaufenden Rand des ersten Bereichs eine vollumfängliche, den zweiten Bereich des Ventilsitz-Dichtelements ausbildende und in Richtung der Längsachse umgebogene Kante auf.
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Der zweite Bereich des Ventilsitz-Dichtelements ist dann vorzugsweise in der Form eines geraden, kreisförmigen Hohlzylinders oder eines hohlen Kreiskegelstumpfes jeweils mit zwei Stirnseiten ausgebildet. Dabei ist eine erste Stirnseite vollumfänglich mit dem am äußeren Radius umlaufenden Rand des ersten Bereichs verbunden, während eine distal zur ersten Stirnseite ausgebildete zweite Stirnseite des zweiten Bereichs als eine freie Umlaufkante des Ventilsitz-Dichtelements ausgebildet ist.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass das Ventilsitzelement an einem in Richtung der Längsachse ausgebildeten Ende an einer inneren Mantelfläche eine vollumfänglich verlaufende Ausnehmung zur Aufnahme des Ventilsitz-Dichtelements, insbesondere des zweiten Bereichs des Ventilsitz-Dichtelements, aufweist.
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Die Ausnehmung ist vorzugsweise als ein gleichmäßiger, zur Längsachse konzentrischer Spalt mit konstanter Ausdehnung in Richtung der Längsachse ausgebildet. Die insbesondere spaltförmige Ausnehmung ist in Richtung der Längsachse zum Ende des Ventilsitzelements hin durch einen als Auflage ausgebildeten Vorsprung mit einer radial ausgerichteten Auflagefläche für das Ventilsitz-Dichtelement begrenzt. Dabei kann das Ventilsitz-Dichtelement mit der als freien Umlaufkante ausgebildeten zweiten Stirnseite des zweiten Bereichs an der Auflagefläche des Vorsprungs der spaltförmigen Ausnehmung des Ventilsitzelements vollumfänglich anliegen.
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Mit der bevorzugten Ausbildung der Ausnehmung des Ventilsitzelements mit einem Durchmesser, welcher größer ist als ein Außendurchmesser des Ventilsitz-Dichtelements, insbesondere größer als der Außendurchmesser des zweiten Bereichs des Ventilsitz-Dichtelements, ist das Ventilsitz-Dichtelement innerhalb des Ventilsitzelements, speziell innerhalb der Ausnehmung des Ventilsitzelements, radial zur Längsachse zum Ventilsitzelement beweglich.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist zwischen dem Ventilsitz-Dichtelement und dem Gehäuse mindestens ein in Richtung der Längsachse wirkendes, elastisch verformbares Gehäuse-Dichtelement vorgesehen, welches derart ausgebildet ist, eine Klemmkraft auf das Ventilsitz-Dichtelement zu übertragen. Das Gehäuse-Dichtelement ist vorzugsweise als ein O-Ring ausgebildet, welcher im Wesentlichen konzentrisch zur und um die Durchgangsöffnung des Ventilsitz-Dichtelements, am Ventilsitz-Dichtelement anliegend angeordnet ist.
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Dabei kann das Gehäuse-Dichtelement fest und unlösbar mit dem Ventilsitz-Dichtelement, das heißt Lösen nicht ohne Zerstören des Gehäuse-Dichtelements oder des Ventilsitz-Dichtelements, verbunden sein, sodass das Gehäuse-Dichtelement und das Ventilsitz-Dichtelement einstückig ausgebildet sind. Das Gehäuse-Dichtelement kann beispielsweise an das Ventilsitz-Dichtelement anvulkanisiert sein oder das Gehäuse-Dichtelement ist in das als eine Metallmembran ausgebildete Ventilsitz-Dichtelement integriert.
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Neben dem Ventilsitz-Dichtelement kann die Vorrichtung ein Axialdichtelement zum Abdichten des Ventilelements zum Ventilsitzelement aufweisen. Dabei sind das Axialdichtelement und das Ventilsitz-Dichtelement in Richtung der Längsachse beabstandet zueinander an distalen Enden des Ventilsitzelements angeordnet.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Vorrichtung ein Stellelement, eine Übertragungsanordnung sowie eine Gleitdrehsicherungsanordnung zum Übertragen einer Rotationsbewegung des Stellelements um die Längsachse in eine Linearbewegung des Ventilelements in Richtung der Längsachse relativ zum Gehäuse und damit zum Ventilsitzelement sowie zum Ventilsitz-Dichtelement auf.
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Das Stellelement ist vorteilhaft als eine Antriebswelle ausgebildet. Dabei sind die Längsachse des Stellelements, welche auch der Längsachse der Vorrichtung entspricht, und die Längsachse des Ventilelements im Wesentlichen koaxial zueinander ausgerichtet. Die Antriebswelle ist vorzugsweise mit einem Elektromotor, insbesondere einem Schrittmotor beziehungsweise einem Stellmotor, verbunden, welcher die Antriebswelle in die Rotationsbewegung um die Längsachse versetzen kann. Die Antriebswelle kann innerhalb des Gehäuses in axialer Richtung fixiert sein.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Übertragungsanordnung eine Gewindepaarung zwischen dem Stellelement und dem Ventilelement aufweist, über welche das Ventilelement mit dem Stellelement mechanisch verbunden ist. Dabei sind an einer Außenseite des insbesondere rotationssymmetrischen Stellelements ein Außengewinde und innerhalb einer im Ventilelement vorgesehenen Öffnung ein Innengewinde ausgebildet, welche miteinander korrespondieren. Das Innengewinde des Ventilelements ist bevorzugt an einem zum Stellelement hin ausgerichteten Ende angeordnet, während das Außengewinde des Stellelements distal zu einem mit dem Elektromotor verbundenen Ende des Stellelements angeordnet ist. Die im Ventilelement ausgebildete Öffnung erstreckt sich in Richtung der Längsachse und kann als eine Durchgangsbohrung vorgesehen sein.
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Die Gleitdrehsicherungsanordnung ist vorteilhaft derart ausgebildet, die Rotationsbewegung des Ventilelements um die Längsachse beziehungsweise die Rotationsachse zu verhindern und die Linearbewegung des Ventilelements in Richtung der Längsachse zu ermöglichen.
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Die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht die Verwendung der Vorrichtung zum Regeln eines Durchflusses und Expandieren eines Fluids in einem Kältemittelkreislauf eines Klimatisierungssystems eines Kraftfahrzeugs.
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Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die Ausrichtung eines nicht geführten Ventilelements, insbesondere einer Ventilnadel, zum Ventilsitz-Dichtelement verbessert. Mit der flexibel beweglichen Anordnung des Ventilsitz-Dichtelements zum Ventilsitzelement und damit zum Gehäuse sowie zum Ventilelement werden beispielsweise Fluchtungsfehler ausgeglichen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Regeln eines Durchflusses und Expandieren eines Fluids, insbesondere von Kohlendioxid, in einem Fluidkreislauf weist zusammenfassend weitere diverse Vorteile auf:
- - fertigungsoptimiertes Umsetzen der erforderlichen Funktionen mit verbesserter Zuverlässigkeit, speziell in Bezug auf Dichtwirkung und Klemmwirkung,
- - zuverlässiger Betrieb in großem Temperaturbereich und Druckbereich sowie
- - einfache Herstellung bei minimalen Herstellungskosten, insbesondere durch Einsparen der Herstellung unter aufwendigen Fertigungsgenauigkeiten beziehungsweise aufwendiger, die Herstellung begleitender Messverfahren bei maximaler Leckdichtigkeit und Langzeit-Dichtheit des geschlossenen Ventils.
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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 Regeln eines Durchflusses und Expandieren eines Fluids in einem Fluidkreislauf aus dem Stand der Technik mit einem Gehäuse und innerhalb des Gehäuses angeordneten Komponenten, wie elektrischer Antrieb und Ventilelement in geschlossenem Zustand sowie Stellelement mit einer Übertragungsanordnung in seitlicher Schnittdarstellung,
- 1b: eine Detailansicht des Ventilelements innerhalb eines Ventilsitzelements der Vorrichtung aus 1a,
- 1c und 1d: eine Anordnung des Ventilelements innerhalb des Gehäuses der Vorrichtung aus 1a mit einer Gleitdrehsicherungsanordnung zum Übertragen einer Rotationsbewegung des Stellelements in eine Linearbewegung des Ventilelements entlang der Rotationsachse in einer Schnittdarstellung einer Ebene durch die Rotationsachse sowie einer Schnittdarstellung senkrecht zur Rotationsachse,
- 2a: das Ventilelement der Vorrichtung aus 1a in einer perspektivischen Ansicht,
- 2b: eine Detailansicht des Ventilelements aus 2a in einer Seitenansicht,
- 2c und 2d: jeweils eine Detailansicht der Anordnung des Ventilelements der Vorrichtung aus 1a innerhalb des Ventilsitzelements beziehungsweise eines Dichtelements,
- 3a bis 3c: eine schematische Anordnung des Ventilelements innerhalb des Dichtelements in einer Schnittebene senkrecht zur entsprechenden Längsachse mit einem Achsenversatz und einem Winkelversatz der Längsachsen sowie voneinander abweichenden Geometrien von Ventilelement und Dichtelement,
- 4: eine Detailansicht des innerhalb eines Ventilsitzelements angeordneten Ventilelements einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Regeln eines Durchflusses und Expandieren eines Fluids in einem Fluidkreislauf mit zwei Dichtelementen sowie
- 5a bis 5d: jeweils eine Detailansicht der Anordnung des Ventilelements innerhalb eines Ventilsitz-Dichtelements sowie des Ventilsitzelements der Vorrichtung aus 4.
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In 1a ist eine Vorrichtung 1' zum Regeln eines Durchflusses und Expandieren eines Fluids in einem Fluidkreislauf aus dem Stand der Technik mit einem Gehäuse 2 und innerhalb des Gehäuses 2 angeordneten Komponenten, wie einem Elektromotor 3 als elektrischer Antrieb und einem Ventilelement 6 in geschlossenem Zustand sowie einem Stellelement 4 mit einer Übertragungsanordnung 5 in seitlicher Schnittdarstellung gezeigt. Aus 1b geht eine Detailansicht des Ventilelements 6 innerhalb eines Ventilsitzelements 7' der Vorrichtung aus 1a hervor.
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Die Vorrichtung 1' ist mit dem Gehäuse 2 und dem Elektromotor 3 ausgebildet, welcher eine als Stellelement 4 vorgesehene Antriebswelle in eine Rotationsbewegung 4a versetzt. Mit Hilfe der an der in einer axialen Richtung ausgerichteten Antriebswelle 4 vorgesehenen Übertragungsanordnung 5, insbesondere eines Gewindes, speziell eines sogenannten Bewegungsgewindes, wird die Rotationsbewegung 4a der Antriebswelle 4 um eine Längsachse 11 in eine translatorische Hubbewegung des vorzugsweise als eine Ventilnadel ausgebildeten Ventilelements 6 übertragen. Die translatorische Hubbewegung entspricht damit einer Linearbewegung 6a des Ventilelements 6 in axialer Richtung und damit in Richtung einer Längsachse 6d des Ventilelements 6 sowie in Richtung der Längsachse 11, insbesondere der Antriebswelle 4. Die Antriebswelle 4 und das Ventilelement 6 sind koaxial zueinander ausgerichtet.
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Die Gewindepaarung der Übertragungsanordnung 5 ist zwischen der Antriebswelle 4 und dem Ventilelement 6 vorgesehen. Dabei ist die Antriebswelle 4, welche im Wesentlichen die Form eines Zylinderstabes, insbesondere eines Rundstabes mit Abschnitten unterschiedlicher Durchmesser, aufweist, mit einem freien Ende in eine im Ventilelement 6 ausgebildete Öffnung 6b eingesteckt. Das freie Ende der Antriebswelle 4 ist distal zu einem mit dem Elektromotor 3 verbundenen Ende angeordnet. Die Antriebswelle 4 weist somit am freien Ende ein Außengewinde als erstes Element der Gewindepaarung auf, während innerhalb der Öffnung 6b des Ventilelements 6 ein Innengewinde als zweites Element der Gewindepaarung ausgebildet ist.
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Das Ventilelement 6 ist je nach Stellung des Ventils 1' in das Ventilsitzelement 7' hineinragend oder durch das Ventilsitzelement 7' hindurchragend angeordnet. Das linear in der axialen Richtung bewegte und sich im Wesentlichen in der axialen Richtung erstreckende Ventilelement 6 wird dabei über eine Gleitdrehsicherungsanordnung 8 gehalten, welche eine Rotationsbewegung des Ventilelements 6 um die axiale Richtung beziehungsweise die Längsachse 6d des Ventilelements 6 verhindert und die Linearbewegung 6a in der axialen Richtung zulässt. In den 1c und 1d ist eine Anordnung des Ventilelements 6 innerhalb des Gehäuses 2 mit der Gleitdrehsicherungsanordnung 8 zum Übertragen der Rotationsbewegung des Stellelements 4 in die Linearbewegung 6a des Ventilelements 6 entlang der Rotationsachse in einer Schnittdarstellung einer Ebene durch die Rotationsachse sowie einer Schnittdarstellung senkrecht zur Rotationsachse gezeigt.
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Das Ventilelement 6 weist im innerhalb des Gehäuses 2 entlanggleitenden Bereich Ausformungen 6c auf. Die Ausformungen 6c sind an einem zum Elektromotor 3 ausgerichteten Ende des Ventilelements 6 ausgebildet und ragen paarweise gegenüberliegend vom Ventilelement 6 ab. Damit weist das Ventilelement 6 in einem Querschnitt durch die Längsachse eine T-Form auf. Das Gehäuse 2 ist im Bereich der Ausformungen 6c des Ventilelements 6 mit sich bezüglich der Längsachse 6d des Ventilelements 6 gegenüberliegend angeordneten, kerbenförmigen beziehungsweise nutartigen Ausnehmungen 2a ausgebildet, welche in der Form jeweils mit einer Ausformung 6c des Ventilelements 6 korrespondieren. Die Formen der Ausnehmungen 2a des Gehäuses 2 entsprechen dabei jeweils der Außenform der Ausformungen 6c des Ventilelements 6 zuzüglich eines Spiels zum gleitenden Bewegen des Ventilelements 6 innerhalb des Gehäuses 2 in axialer Richtung. Mit dem Anordnen der Ausformungen 6c des im Querschnitt T-förmigen Ventilelements 6 innerhalb der kerbenförmigen beziehungsweise nutartigen Ausnehmungen 2a des Gehäuses 2 wird eine Rotationsbewegung des Ventilelements 6, angetrieben durch das um die Längsachse rotierende Stellelement 4, verhindert. Damit wird das Ventilelement 6 durch die Rotationsbewegung 4a des Stellelements 4 ohne eigene Rotation um die Längsachse in der Linearbewegung 6a bewegt.
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Die Vorrichtung ist, insbesondere gemäß 1a und 1b, zudem mit einem ersten Anschluss 9 und einem zweiten Anschluss 10 zum Verbinden mit Fluidleitungen ausgebildet. Eine Durchgangsöffnung 9a des ersten Anschlusses 9 ist in radialer Richtung zum Ventilelement 6 ausgerichtet, während eine Durchgangsöffnung 10a des zweiten Anschlusses 10 in axialer Richtung des Ventilelements 6 ausgerichtet ist.
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Die Durchgangsöffnung 9a des ersten Anschlusses 9 ist mit Kältemittel mit einem ersten Druck p1 beaufschlagt, sodass der Druck p1 im Wesentlichen in radialer Richtung auf das Ventilelement 6 einwirkt. Die Durchgangsöffnung 10a des zweiten Anschlusses 10 ist mit Kältemittel mit einem zweiten Druck p2 beaufschlagt, sodass der Druck p2 im Wesentlichen in axialer Richtung auf das Ventilelement 6 einwirkt. Sämtliche druckbeaufschlagte Flächen des Ventilelements 6 sind derart ausgelegt, dass das Ventilelement 6 in einem nahezu isostatischen Zustand angeordnet ist. Die auf das Ventilelement 6 wirkenden Druckkräfte befinden sich im Gleichgewicht.
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Das Ventilelement 6 ist zudem über zwei Dichtelemente, insbesondere ein als eine Ringdichtung ausgebildetes Axialdichtelement 12 als dynamische Dichtung sowie ein Ventilsitz-Dichtelement 13' als statische Dichtung jeweils zum Ventilsitzelement 7' abgedichtet angeordnet. Das Axialdichtelement 12 ist als eine Gleitdichtung, insbesondere eine Stangendichtung, ausgebildet. Das Ventilsitz-Dichtelement 13' ist zwischen dem Gehäuse 2, dem Ventilelement 6 sowie dem Ventilsitzelement 7' angeordnet.
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Die innerhalb der Vorrichtung 1' ausgebildeten Axialdichtelement 12 und Ventilsitz-Dichtelement 13' zum internen Abdichten der mit unterschiedlichen Druckniveaus beaufschlagten Bereiche, wie einer Hochdruckseite und einer Niederdruckseite eines Kältemittelkreislaufs, sind in axialer Richtung beabstandet zueinander an distalen Enden des Ventilsitzelements 7' angeordnet.
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Das Bewegungsgewinde als Übertragungsanordnung 5 ist abhängig von der Dimension des Ventilelements 6 beispielsweise mit einem Feingewinde M3/M4 und somit an der Grenze der Belastbarkeit ausgebildet. Abweichungen in der Qualität und äußere Einflüsse, wie Änderungen der Temperatur und damit einhergehende unterschiedliche Ausdehnungen der Komponenten sowie Fertigungstoleranzen, können zum Verklemmen und damit zum Versagen des Ventils 1' führen.
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Das Einbringen eines als abgeflachter Bereich ausgebildeten Abschnitts 5a des ansonsten einen kreisrunden Querschnitt aufweisenden Gewindes des Stellelements 4, gemäß der 1c und 1d, gewährleistet als Durchströmöffnung in Kombination mit der als Durchgangsbohrung ausgebildeten Öffnung 6b des Ventilelements 6 den Druckausgleich in axialer Richtung bezüglich des zweiten Drucks p2 innerhalb des Ventils 1'. Allerdings führt der durch den im Bereich des Gewindes ausgebildete Abschnitt 5a zur Reduktion der Belastbarkeit und einer ungleichmäßigen Belastung.
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In 2a ist das Ventilelement 6 als Einzelkomponente des Ventils 1' aus 1a in einer perspektivischen Ansicht gezeigt, während in 2b eine Detailansicht des Ventilelements 6 aus 2a in einer Seitenansicht dargestellt ist.
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Das Ventilelement 6 weist an einem ersten Ende einen Bereich mit den Ausformungen 6c als Elemente der Gleitdrehsicherungsanordnung 8 auf. In axialer Richtung zu einem zweiten Ende hin ist, sich an den Bereich mit den Ausformungen 6c anschließend, eine erste Dichtfläche 14 angeordnet. Die erste Dichtfläche 14 ist als eine Mantelfläche eines geraden Kreiszylinders und damit mit einem konstanten Durchmesser ausgebildet. Das zweite, als eine Regelfläche 15 ausgebildete Ende des Ventilelements 6 weist eine Mantelfläche mit sich zur Stirnseite des Ventilelements 6 verjüngendem Durchmesser auf. Dabei ist der maximale Durchmesser der Regelfläche 15 geringer als der Durchmesser der ersten Dichtfläche 14. Die Mantelfläche des Ventilelements 6 ist zwischen der ersten Dichtfläche 14 und der Regelfläche 15 mit einem Übergangsbereich 16 mit einer zweiten Dichtfläche 17 ausgebildet.
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Aus den 2c und 2d geht jeweils eine Detailansicht der Anordnung des Ventilelements 6 innerhalb des Ventilsitzelements 7' beziehungsweise innerhalb des Ventilsitz-Dichtelements 13' hervor.
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Im geschlossenen Zustand der Vorrichtung 1', gemäß 2c, liegt das Ventilelement 6 im Übergangsbereich 16 am Ventilsitz-Dichtelement 13' an, während das Ventilelement 6 im geöffneten Zustand der Vorrichtung 1', gemäß 2d, in der axialen Richtung bezüglich des Ventilsitz-Dichtelements 13' derart verschoben ist, dass zwischen dem Ventilelement 6 und dem Ventilsitz-Dichtelement 13' ein vollumfänglicher Spalt ausgebildet ist.
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Der Übergangsbereich 16 weist die zweite, am Ventilelement 6 umfänglich umlaufende Dichtfläche 17 sowie eine am Ventilsitz-Dichtelement 13' umfänglich umlaufende Dichtfläche 18 auf, welche in gleichgesinnter Weise konisch zur Längsachse 6d ausgebildet sind und miteinander korrelieren. Im geschlossenen Zustand der Vorrichtung 1' liegen die zweite Dichtfläche 17 des Ventilelements 6 und die Dichtfläche 18 des Ventilsitz-Dichtelements 13', welches zudem mit dem Gehäuse 2 sowie dem Ventilsitzelement 7' abdichtend verbunden ist, fluiddicht aneinander an.
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Die konisch ausgebildete zweite Dichtfläche 17 des Ventilelements 6 ist in einem Winkel α im Bereich von 3° bis 6° zur Längsachse 6d ausgerichtet. Infolge der konischen Ausbildung der Dichtflächen 17, 18 kann das Ventilelement 6 beim Vorgang des Schließens der Vorrichtung 1' zentriert in das Ventilsitz-Dichtelement 13' eingeführt werden. Das als Ventilnadel ausgebildete Ventilelement 6 wird während der Linearbewegung 6a in axialer Richtung ansonsten nicht geführt.
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Im geöffneten Zustand der Vorrichtung 1' sind die Dichtflächen 17, 18 zueinander beabstandet angeordnet. Nach einem Vorgang des Öffnens der Vorrichtung 1', bei welchem das Ventilelement 6 sich vom Ventilsitz-Dichtelement 13' entfernend bewegt wird, ist die Vorrichtung 1' in eine Regelstellung verbracht. Die sich insbesondere in axialer Richtung über einen größeren Bereich als die zweite Dichtfläche 17 des Übergangsbereichs 16 erstreckende und umfänglich umlaufende Regelfläche 15 des Ventilelements 6 ist, ebenso wie die zweite Dichtfläche 17 des Übergangsbereichs 16, konisch ausgebildet und in einem Winkel γ im Bereich von 1° bis 2° zur Längsachse 6d ausgerichtet. Die Regelfläche 15 erstreckt sich von der zweiten Dichtfläche 17 des Übergangsbereichs 16 bis zur Stirnseite des Ventilelements 6. Dabei weist die Regelfläche 15 in Richtung der Längsachse 6d eine Ausdehnung von etwa 6 mm auf, während die Ausdehnung der zweiten Dichtfläche 17 des Übergangsbereichs 16 in Richtung der Längsachse 6d etwa 0,5 mm beträgt.
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Die konischen Ausbildungen der zweiten Dichtfläche 17 des Übergangsbereichs 16 und der Regelfläche 15 des Ventilelements 6 sind gleichgesinnt ausgerichtet. Aufgrund der konischen Ausbildung der Regelfläche 15 in Richtung der Längsachse 6d des Ventilelements 6 wird der Strömungsquerschnitt für das durch die Vorrichtung 1' hindurchzuleitende Fluid mit der Linearbewegung 6a des Ventilelements 6 in axialer Richtung kontinuierlich verändert bis das Ventilelement 6 vollständig aus dem Ventilsitz-Dichtelement 13' entfernt ist oder die Vorrichtung 1' geschlossen ist und das Ventilelement 6 am Ventilsitz-Dichtelement 13' fluiddicht anliegt. Mittels der Linearbewegung 6a des Ventilelements 6 in Bezug auf das Ventilsitz-Dichtelement 13' wird in Kombination mit der Regelfläche 15 der Massenstrom des Fluids durch die Vorrichtung 1' geregelt.
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Die Mantelfläche des Ventilelements 6 ist in der nachfolgend genannten Reihenfolge im Wesentlichen mit einem mit der Übertragungsanordnung 5 ausgebildeten Bereich, einem die Form eines geraden Kreiszylinders aufweisenden Bereich, mit der ersten Dichtfläche 14, dem Übergangsbereich 16 mit der zweiten Dichtfläche 17 und dem Regelbereich mit der Regelfläche 15 ausgebildet.
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Infolge der notwendigen Dimensionierung des Elektromotors 3 als elektrischer Antrieb des Ventilelements 6 steht lediglich eine begrenzte Kraft zum Bewegen des Ventilelements 6 zur Verfügung. Des Weiteren muss ein dichtes Anliegen des Ventilelements 6 innerhalb der im Ventilsitzelement 7' angeordneten Axialdichtelement 12 und Ventilsitz-Dichtelement 13' auch im unbestromten Zustand des Elektromotors 3 sowie bei Temperaturen von - 40 °C bis + 150 °C gewährleistet sein. Infolge des Aufbringens einer auf das Ventilelement 6 wirkenden und damit das Ventilelement 6 in das Ventilsitzelement 7' drückenden Kraft, wird das Ventilelement 6 von der als selbsthemmendes Bewegungsgewinde ausgebildeten Übertragungsanordnung 5 gehalten. Eine Kombination der das Ventilelement 6 in das Ventilsitzelement 7' pressenden Kraft mit einer Änderung der Temperatur und damit einhergehenden unterschiedlichen Ausdehnung der Komponenten des Ventils 1' führt zu einem Blockieren beziehungsweise Verklemmen der Komponenten, sodass das Ventilelement 6 im Ventilsitzelement 7' unbeweglich fixiert ist.
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Zudem kann das Ventil 1' derart ausgebildet sein, dass das Ventilelement 6 am Ventilsitzelement 7', insbesondere an dem zwischen dem Gehäuse 2, dem Ventilsitzelement 7' und dem Ventilelement 6 angeordneten Ventilsitz-Dichtelement 13' definiert geklemmt ist. Bei dieser Ausführung des Ventils 1' ist insbesondere jeweils der Winkel des Dichtkegels am Ventilelement 6 derart auszubilden, dass im Dichtbereich eine Selbsthemmung erreicht und damit das Bewegungsgewinde entlastet wird. Das bedarf jedoch einer sehr detaillierten und genauen Auslegung der Dichtkontur, da ein zu geringer Winkel des Dichtkegels ein Verklemmen des Ventilelements 6 innerhalb des Ventilsitz-Dichtelements 13', und ein zu großer Winkel des Dichtkegels eine Undichtheit zwischen dem Ventilelement 6 und dem Ventilsitz-Dichtelement 13' verursacht.
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Mit der Lagerung der Antriebswelle 4 innerhalb des Gehäuses 2 und der Anordnung des Ventilelements 6 innerhalb des Ventilsitzelements 7' ergeben sich zudem aneinandergereihte Toleranzen mehrerer Komponenten des Ventils 1', wie eine sich zwischen dem Ventilelement 6 und dem Ventilsitz-Dichtelement 13' ergebende Toleranzkette bezüglich der Dichtflächen. Weder die Übertragungsanordnung 5, insbesondere das Bewegungsgewinde zwischen der Antriebswelle 4 und dem Ventilelement 6, noch das Axialdichtelement 12 oder das Ventilsitzelement 7' bewirken eine Führung des Ventilelements 6 während der Linearbewegung 6a in axialer Richtung.
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Dabei können das Ventilelement 6 und das Ventilsitz-Dichtelement 13' mit einem Achsenversatz, speziell einer parallelen, von der koaxialen Ausrichtung der Längsachsen 6d, 11 des Ventilelements 6 und des Ventils 1' abweichenden Ausrichtung, gemäß 3a, und/oder mit einem Winkelversatz als eine von der parallelen Ausrichtung der Längsachsen 6d, 11 des Ventilelements 6 und des Ventils 1' abweichenden Ausrichtung zueinander, gemäß 3b, angeordnet sein. Des Weiteren können die Geometrien der Querschnitte des Ventilelements 6 und des Ventilsitz-Dichtelements 13' senkrecht zur Längsachse, insbesondere hinsichtlich der gewünschten Kreisform, gemäß 3c, unterschiedlich sein.
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In 4 ist eine Detailansicht des innerhalb des Ventilsitzelements 7 angeordneten Ventilelements 6 einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Regeln eines Durchflusses und Expandieren eines Fluids in einem Fluidkreislauf mit einem Axialdichtelement 12 und einem Ventilsitz-Dichtelement 13 gezeigt.
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Die in der axialen Richtung ausgerichtete und im Wesentlichen die Form eines Zylinderstabes, insbesondere eines Rundstabes mit Abschnitten unterschiedlicher Durchmesser aufweisende Antriebswelle 4 ist mit dem freien, distal zu dem mit dem nicht dargestellten Elektromotor verbundenen Ende in die im Ventilelement 6 ausgebildete Öffnung 6b eingesteckt angeordnet. In diesem Bereich der Vorrichtung ist das Bewegungsgewinde der Übertragungsanordnung 5 zwischen der Antriebswelle 4 und dem Ventilelement 6 ausgebildet. Dabei weist die Antriebswelle 4 an dem freien Ende das Außengewinde als ein erstes Element der Gewindepaarung auf. Innerhalb der Öffnung 6b des Ventilelements 6 ist das als Innengewinde ausgebildete zweite Element der Gewindepaarung vorgesehen. Das Außengewinde der Antriebswelle 4 und das Innengewinde des Ventilelements 6 korrespondieren miteinander.
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Neben dem Bewegungsgewinde der Übertragungsanordnung 5 weist die Vorrichtung die am zum Elektromotor ausgerichteten Ende des Ventilelements 6 und innerhalb des Gehäuses 2 entlanggleitenden Ausformungen 6c als erste Komponenten der Gleitdrehsicherungsanordnung 8 auf. Die Ausformungen 6c ragen paarweise gegenüberliegend vom damit im Querschnitt durch die Längsachse T-förmigen Ventilelement 6 ab. Das Gehäuse 2 ist mit den sich bezüglich der Längsachse 6d des Ventilelements 6 gegenüberliegend angeordneten, kerbenförmigen beziehungsweise nutartigen Ausnehmungen als zweite Komponenten der Gleitdrehsicherungsanordnung 8 ausgebildet. Die Ausnehmungen des Gehäuses 2 korrespondieren in der Form jeweils mit einer Ausformung 6c des Ventilelements 6.
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Mit der Übertragungsanordnung 5 aus dem zwischen der Antriebswelle 4 und dem Ventilelement 6 ausgebildeten Bewegungsgewinde sowie der Kombination aus den Ausformungen 6c des Ventilelements 6 und den Ausnehmungen im Gehäuse 2 als Komponenten der Gleitdrehsicherungsanordnung 8 wird die Rotationsbewegung 4a der Antriebswelle 4 um die Längsachse 11 in die translatorische Hubbewegung als Linearbewegung 6a des vorzugsweise als Ventilnadel ausgebildeten Ventilelements 6 in Richtung der Längsachse 6d des Ventilelements 6 beziehungsweise der Längsachse 11 der Vorrichtung umgewandelt. Dabei wird die durch die um die Längsachse 11 rotierende Antriebswelle 4 erzeugte Rotationsbewegung 4a des Ventilelements 6 verhindert, während die Linearbewegung 6a des Ventilelements 6 in der axialen Richtung zugelassen wird. Die Antriebswelle 4 und das Ventilelement 6 sind koaxial zueinander ausgerichtet.
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Das linear in der axialen Richtung bewegte und sich im Wesentlichen in der axialen Richtung erstreckende Ventilelement 6 ist je nach Stellung der Vorrichtung, insbesondere des Ventils, in das Ventilsitzelement 7 hineinragend oder durch das Ventilsitzelement 7 hindurchragend angeordnet. Im geöffneten Zustand sind die in radialer Richtung zum Ventilelement 6 ausgerichtete Durchgangsöffnung 9a des ersten Anschlusses 9 zum Verbinden mit einer ersten Fluidleitung und die in axialer Richtung des Ventilelements 6 ausgerichtete Durchgangsöffnung 10a des zweiten Anschlusses 10 zum Verbinden mit einer zweiten Fluidleitung miteinander fluidisch verbunden, während die Durchgangsöffnungen 9a, 10a im geschlossenen Zustand des Ventils voneinander getrennt sind.
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Das Ventilsitzelement 7 ist innerhalb eines vom Gehäuse 2 umschlossenen Volumens angeordnet, in welches die Durchgangsöffnungen 9a, 10a der Anschlüsse 9, 10 zum Verbinden mit den Fluidleitung einmünden. Dabei ist das Ventilsitzelement 7 über verschiedene, beispielsweise als O-Ringe ausgebildete Dichtkomponenten zum Gehäuse 2 hin sowie zum Ventilelement 6 hin abgedichtet und damit fluiddicht im Gehäuse 2 positioniert.
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Das Ventilelement 6 ist über das Axialdichtelement 12 als ein dynamisches Dichtelement zum Ventilsitzelement 7 abgedichtet angeordnet. Dabei ist das Axialdichtelement 12 als eine Gleitdichtung, insbesondere eine Stangendichtung, in Form einer Ringdichtung ausgebildet.
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Die zum internen Abdichten der mit unterschiedlichen Druckniveaus beaufschlagten Bereiche, wie einer Hochdruckseite und einer Niederdruckseite eines Kältemittelkreislaufs, dienenden Axialdichtelement 12 und Ventilsitz-Dichtelement 13 am Ventilelement 6 sind in axialer Richtung beabstandet zueinander an distalen Enden des Ventilsitzelements 7 angeordnet. Das Ventilsitz-Dichtelement 13 ist als ein statisches Dichtelement ausgebildet.
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Der wesentliche Unterschied der Vorrichtung aus 4 zur Vorrichtung aus 1a besteht in der Ausbildung des Ventilsitz-Dichtelements 13, welches derart konfiguriert ist, den Achsversatz zum Ventilelement 6 als Abweichung der parallel zueinander ausgerichteten Längsachsen 6d, 11 des Ventilelements 6 und der Vorrichtung von der koaxialen Ausrichtung, gemäß 3a, und/oder den Winkelversatz zum Ventilelement 6 als Abweichung von der parallelen Ausrichtung der Längsachsen 6d, 11 des Ventilelements 6 und der Vorrichtung zueinander, gemäß 3b, zu kompensieren. Der Achsversatz und der Winkelversatz resultieren daraus, dass weder die Übertragungsanordnung 5, insbesondere das Bewegungsgewinde zwischen der Antriebswelle 4 und dem Ventilelement 6, noch das Axialdichtelement 12 oder das Ventilsitzelement 7 eine Führung des Ventilelements 6 während der Linearbewegung 6a in axialer Richtung bewirken. Mit dem Ventilsitz-Dichtelement 13 sind zudem Abweichungen der Geometrien der Querschnitte des Ventilelements 6 und des Ventilsitz-Dichtelements 13 senkrecht zur Längsachse, insbesondere von der Kreisform, gemäß 3c, kompensierbar.
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Während das Ventilsitz-Dichtelement 13' der Vorrichtung 1' aus 1b zwischen dem Ventilelement 6, dem Gehäuse 2 und dem Ventilsitzelement 7' fest fixiert, insbesondere zwischen dem Gehäuse 2 und dem Ventilsitzelement 7' verklemmt, angeordnet ist, ist das Ventilsitz-Dichtelement 13 der Vorrichtung aus 4 zwischen dem Ventilelement 6 und dem Ventilsitzelement 7 beweglich angeordnet. Dabei ist zwischen dem Ventilsitz-Dichtelement 13 und dem Gehäuse 2 ein in axialer Richtung wirkendes, beispielsweise als ein O-Ring ausgebildetes Gehäuse-Dichtelement 19 vorgesehen, welches eine definierte Klemmkraft auf das Ventilsitz-Dichtelement 13 aufbringt und derart das Ventilsitz-Dichtelement 13 im Ventilsitzelement 7 vorpositioniert. Mit dem Gehäuse-Dichtelement 19 ist das Ventilsitz-Dichtelement 13 zum Gehäuse 2 abdichtet angeordnet.
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Die vordefinierte Krafteinwirkung auf das Ventilsitz-Dichtelement 13 ermöglicht die freie Beweglichkeit des Ventilsitz-Dichtelements 13 zum einen innerhalb des Ventilsitzelements 7 und damit zum anderen zum Ventilelement 6, was das optimale Anordnen des nadelförmigen Ventilelements 6 und des Ventilsitz-Dichtelements 13 zueinander bewirkt. Die notwendige Kraft zum Bewegen und folglich zum Ausrichten des Ventilsitz-Dichtelements 13 bezüglich des Ventilelements 6 wird beim Einschieben des Ventilelements 6 in das Ventilsitz-Dichtelement 13 aufgebracht. Dabei sind einerseits die Kraft zum Einschieben des Ventilelements 6 in das Ventilsitz-Dichtelement 13 und das gleichzeitige Bewegen sowie Ausrichten des Ventilsitz-Dichtelements 13 und andererseits die auf das Ventilsitz-Dichtelement 13 wirkende sowie vordefinierte Klemmkraft aufeinander abgestimmt.
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Weitere, insbesondere in radialer Richtung wirkende Dichtkomponenten zum Abdichten des Ventilsitzelements 7 sind zum einen zwischen dem Gehäuse 2 und einer radial nach außen gerichteten Mantelfläche des Ventilsitzelements 7 und zum anderen zwischen einer radial nach innen weisenden Mantelfläche des Ventilsitzelements 7 und dem Axialdichtelement 12 angeordnet.
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Aus den 5a bis 5d geht jeweils eine Detailansicht der Anordnung des Ventilelements 6 innerhalb des Ventilsitzelements 7 im Bereich des Ventilsitz-Dichtelements 13 sowie des Gehäuse-Dichtelements 19 der Vorrichtung aus 4 hervor. Das Ventilelement 6 ist vollumfänglich vom Ventilsitz-Dichtelement 13 umgeben. Dabei weist das Ventilelement 6, gemäß der 2a bis 2d, einen kreisförmigen Querschnitt mit sich in Richtung der Längsachse 6d veränderndem Durchmesser und unterschiedliche Dichtflächen auf. Das Ventilsitz-Dichtelement 13 ist mit einer um die Längsachse 11 rotationssymmetrischen Durchgangsöffnung 13a zur Aufnahme des Ventilelements 6 ausgebildet. Die Form der Mantelfläche des Ventilelements 6 und die Form der Umrandung der Durchgangsöffnung 13a des Ventilsitz-Dichtelements 13 korrespondieren miteinander.
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Das Ventilsitz-Dichtelement 13 ist aus einem, insbesondere in Richtung der Längsachse 11 elastisch verformbaren Material, insbesondere als eine Scheibenfeder oder eine Tellerfeder aus einem Federstahl, ausgebildet. Mit dem Ventilsitz-Dichtelement 13 wird eine ansonsten harte beziehungsweise in von der Richtung der Längsachse 11 abweichenden Richtungen, beispielsweise der radialen Richtung, unelastische Dichtung bereitgestellt.
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Das scheibenförmige Ventilsitz-Dichtelement 13 mit der konzentrischen Durchgangsöffnung 13a weist einen ersten Bereich 13b und einen zweiten Bereich 13c auf. Der erste Bereich 13b ist im Wesentlichen in Form einer Kreisringscheibe mit zwei konzentrischen Kreisen bezüglich der Längsachse 11 ausgebildet. Dabei bildet die Durchgangsöffnung 13a den inneren Kreis, während der am äußeren Radius umlaufende Rand den äußeren Kreis bildet. Der innere Kreis und der äußere Kreis können in einer gemeinsamen Ebene oder in unterschiedlichen Ebenen zueinander angeordnet sein. Dabei können die unterschiedlichen Ebenen der Kreise aufgrund der Elastizität des Ventilsitz-Dichtelements 13 in Richtung der Längsachse 11 beabstandet und insbesondere parallel zueinander ausgerichtet sein. Ebenso können die beiden Ebenen der Kreise aufgrund der Elastizität des Ventilsitz-Dichtelements 13 auch winklig zueinander angeordnet sein, sodass senkrecht durch die Ebenen verlaufende Achsen in einem von 0 Grad abweichenden Winkel zueinander ausgerichtet sind.
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Am äußeren Radius des ersten Bereichs 13b umlaufenden Rand weist das Ventilsitz-Dichtelement 13 eine vollumfängliche, in Richtung der Längsachse 11 umgebogene Kante auf. Die umgebogene Kante bildet den zweiten Bereich 13c des Ventilsitz-Dichtelements 13 aus, welcher die Form eines geraden, kreisförmigen Hohlzylinders beziehungsweise eines hohlen Kreiskegelstumpfes jeweils mit zwei Stirnseiten aufweist. Dabei ist die erste Stirnseite des zweiten Bereichs 13c vollumfänglich mit dem am äußeren Radius des ersten Bereichs 13b umlaufenden Rand verbunden, während die distal zur ersten Stirnseite ausgebildete zweite Stirnseite des zweiten Bereichs 13c eine freie Umlaufkante des Ventilsitz-Dichtelements 13 darstellt. Beim in der Form eines hohlen Kreiskegelstumpfs ausgebildeten zweiten Bereich 13c ist der zweite Bereich 13c an der Stirnseite mit dem geringeren Durchmesser mit dem ersten Bereich 13b verbunden.
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Das Ventilsitzelement 7 weist an einem in axialer Richtung ausgebildeten Ende an der inneren Mantelfläche eine vollumfänglich verlaufende Ausnehmung 7a zur Aufnahme, insbesondere des zweiten Bereichs 13c des Ventilsitz-Dichtelements 13 auf. Die Ausnehmung 7a ist als ein gleichmäßiger, zur Längsachse 11 konzentrischer Spalt mit konstanter Ausdehnung in Richtung der Längsachse 11 ausgebildet. Die spaltförmige Ausnehmung 7a wird in axialer Richtung zum Ende des Ventilsitzelements 7 hin durch einen als Auflage ausgebildeten Vorsprung 7b mit einer in Richtung der Längsachse 11 in das Ventilsitzelement 7 hineinweisende Auflagefläche für das Ventilsitz-Dichtelement 13 begrenzt.
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Der Innendurchmesser der Ausnehmung 7a ist größer als der Außendurchmesser des Ventilsitz-Dichtelements 13, insbesondere größer als der Außendurchmesser des zweiten Bereichs 13c des Ventilsitz-Dichtelements 13. Die Ausdehnung der Ausnehmung 7 in Richtung der Längsachse 11 entspricht im Wesentlichen der Ausdehnung des zweiten Bereichs 13c des Ventilsitz-Dichtelements 13, sodass einerseits das Ventilsitz-Dichtelement 13 innerhalb der Ausnehmung 7a des Ventilsitzelements 7 geführt und gehalten ist sowie andererseits eine Bewegung des Ventilsitz-Dichtelements 13 innerhalb der Ausnehmung 7a möglich ist.
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Zur Aufnahme des Ventilsitz-Dichtelements 13 wird das Ventilsitz-Dichtelement 13 in die Ausnehmung 7a des Ventilsitzelements 7 eingerastet beziehungsweise eingeklickt. Dabei liegt das Ventilsitz-Dichtelement 13 mit der als freie Umlaufkante ausgebildeten zweiten Stirnseite des zweiten Bereichs 13c an der Auflagefläche des Vorsprungs 7b der spaltförmigen Ausnehmung 7a des Ventilsitzelements 7 vollumfänglich an. Das Einklicken des Ventilsitz-Dichtelements 13 in das Ventilsitzelement 7 ermöglicht eine einfache Montage der beiden Komponenten ohne weitere und insbesondere losen Elemente und stellt damit eine Verliersicherung dar.
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Das elastisch verformbare Ventilsitz-Dichtelement 13 ist mit Freiheitsgraden in jede Richtung innerhalb des Ventilsitzelements 7 montiert, sodass das Ventilsitz-Dichtelement 13 in den entsprechenden Richtungen in bestimmten Grenzen frei beweglich ist.
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Mit der Ausbildung des größeren Innendurchmessers der Ausnehmung 7a des Ventilsitzelements 7 im Vergleich zum Außendurchmesser des Ventilsitz-Dichtelements 13, insbesondere des zweiten Bereichs 13c des Ventilsitz-Dichtelements 13, wird gemäß 5b eine Verschiebung des Ventilsitz-Dichtelements 13 in radialer Bewegungsrichtung 20 senkrecht zur Längsachse 11 des Ventilsitzelements 7 und auch zur Längsachse 6d des Ventilelements 6 sichergestellt. Damit wird der von der koaxialen Ausrichtung der Längsachsen 6d, 11 des Ventilelements 6 und der Vorrichtung abweichende Versatz der parallelen Längsachsen 6d, 11 kompensiert.
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Mit der Anordnung des elastisch verformbaren, vorzugsweise als ein elastischer O-Ring ausgebildeten Gehäuse-Dichtelements 19 zwischen dem Ventilsitz-Dichtelement 13 und dem Gehäuse 2 wird gemäß 5c eine ungleichmäßige Verschiebung des Ventilsitz-Dichtelements 13 in axialer Bewegungsrichtung 21 sichergestellt. Dabei ist die Ausrichtung des Ventilsitz-Dichtelements 13 durch ungleiche Kompression des Gehäuse-Dichtelements 19, insbesondere eine ungleiche O-Ringkompression, zur Längsachse 11 veränderlich, sodass der von der koaxialen Ausrichtung der Längsachsen 6d, 11 des Ventilelements 6 und der Vorrichtung abweichende Winkelversatz der Längsachsen 6d, 11 kompensiert wird.
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Mit der Ausbildung des Ventilsitz-Dichtelements 13 in Form einer Scheibenfeder oder Tellerfeder aus einem Federstahl werden die elastischen Eigenschaften des Federstahls genutzt. Dabei wird gemäß 5d die Dichtkontur des Ventilsitz-Dichtelements 13 an die Dichtkontur des Ventilelements 6 angepasst beziehungsweise in die Dichtkontur des Ventilelements 6 in Kippbewegungsrichtung 22 eingeschoben. Mit dem Federeffekt und der lokalen geometrischen Veränderung des Ventilsitz-Dichtelements 13, speziell der lokalen Ausdehnung des Ventilsitz-Dichtelements 13, werden die unterschiedlichen Geometrien der Querschnitte des Ventilelements 6 und der Durchgangsöffnung 13a des Ventilsitz-Dichtelements 13 senkrecht zur Längsachse, insbesondere hinsichtlich der gewünschten Kreisform, kompensiert.
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Bei einer alternativen, nicht dargestellten Ausführungsform kann das Ventilsitz-Dichtelement auch mit mehr als einem als Dicht-Ring oder O-Ring ausgebildeten zusätzlichen Dichtelement im Gehäuse 2 und/oder im Ventilsitzelement 7 gelagert sein. Gemäß einer weiteren alternativen, nicht dargestellten Ausführungsform kann die mindestens eine zusätzliche elastische, speziell als Dichtelement vorgesehene Komponente direkt mit dem Ventilsitz-Dichtelement 13 verbunden sein. Dabei kann die mindestens eine zusätzliche Komponente am Ventilsitz-Dichtelement anvulkanisiert oder ähnlich einer Metallmembran im Dichtelement integriert ausgebildet sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1'
- Vorrichtung, Ventil
- 2
- Gehäuse
- 2a
- Ausnehmung Gehäuse 2
- 3
- Elektromotor
- 4
- Stellelement, Antriebswelle
- 4a
- Rotationsbewegung Stellelement 4
- 5
- Übertragungsanordnung
- 5a
- Abschnitt
- 6
- Ventilelement
- 6a
- Linearbewegung Ventilelement 6
- 6b
- Öffnung Ventilelement 6
- 6c
- Ausformung Ventilelement 6
- 6d
- Längsachse Ventilelement 6
- 7, 7'
- Ventilsitzelement
- 7a
- Ausnehmung Ventilsitzelement 7
- 7b
- Vorsprung
- 8
- Gleitdrehsicherungsanordnung
- 9
- erster Anschluss
- 9a
- Durchgangsöffnung erster Anschluss 9
- 10
- zweiter Anschluss
- 10a
- Durchgangsöffnung zweiter Anschluss 10
- 11
- Längsachse
- 12
- Axialdichtelement
- 13, 13'
- Ventilsitz-Dichtelement
- 13a
- Durchgangsöffnung Ventilsitz-Dichtelement 13
- 13b
- erster Bereich Ventilsitz-Dichtelement 13
- 13c
- zweiter Bereich Ventilsitz-Dichtelement 13
- 14
- erste Dichtfläche Ventilelement 6
- 15
- Regelfläche Ventilelement 6
- 16
- Übergangsbereich Ventilelement 6
- 17
- zweite Dichtfläche Ventilelement 6
- 18
- Dichtfläche Übergangsbereich 16
- 19
- Gehäuse-Dichtelement
- 20
- radiale Bewegungsrichtung Ventilsitz-Dichtelement 13
- 21
- axiale Bewegungsrichtung Ventilsitz-Dichtelement 13
- 22
- Kippbewegungsrichtung Ventilsitz-Dichtelement 13
- p1, p2
- Druck
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016013492 A1 [0006]
