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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Kapazitätscontroller
eines Kompressors mit variabler Kapazität, der verwendet wird für einen Kühlkreis
eines Automobil-Klimaanlagensystems oder
dergleichen, entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1, und auf
ein Verfahren entsprechend dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs 5.
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Da
der Kompressor in einem Kühlkreis
eines Automobil-Klimaanlagensystems von dem Motor des Automobils
direkt angetrieben ist, kann die Drehzahl des Kompressors nicht
individuell geregelt werden. Um ohne Begrenzung durch die Motordrehzahl
eine ordnungsgemäße Kühlungsfähigkeit
zu erhalten, werden Kompressoren mit variabler Kapazität benutzt,
die es ermöglichen,
ihre Kapazität
(die Menge des ausgeschobenen Kältemittels)
nach dem Kühlungs-
oder Heizungs-Bedarf und unabhängig
von der Drehzahl des Motors zu variieren. Der Kompressor kann ein
Schraubenkompressor oder Kreiskolbenkompressor, ein Scroll-Kompressor
oder ein Taumelscheibenkompressor sein. Die Kapazität wird geregelt
durch Regeln des Ansaugdrucks mit Hilfe einer Schaltkraft, die durch
einen elektromagnetischen Solenoid auf eine Membrane aufgebracht
wird. Auf die Membrane wird auch der Druck der Umgebungsluft ausgeübt. Ein
Kapazitäts-Verstellmechanismus
wird gesteuert durch den Ansaugdruck. Ein mit der Membrane ausgestatteter
Kapazitätsregelmechanismus ist
kompliziert zu betreiben, da die Struktur des Regelmechanismus kompliziert
und großdimensioniert ist,
und da der verfügbare
Regelbereich des Ansaugdrucks beschränkt ist. Als eine Konsequenz
ist es schwierig, den Kompressor innerhalb eines weiten Konditionsbereiches
ordnungsgemäß zu regeln.
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Der
Ventilschließteil
in einem solenoidbetätigten
Kapazitätscontroller
gemäß
EP 0 864 749 A ist eine
Kugel, der von dem das Ventil betätigenden Kolbenkörper separiert
ist. Der das Ventil betätigende Kolbenkörper wird
entgegengesetzt zu der durch den Steuerdruck generierten Kraft mit
Federkraft und vom Ansaugdruck in Ventilöffnungsrichtung beaufschlagt.
Der Wert des Steuerdrucks wird geregelt durch Steuern des Öffnungs- und Schließ-Grades des
Ventilschließteils
relativ zu dem Ventilsitz, d. h., durch öffnen und Schließen einer
Strömungsverbindung
von einem Ausschiebedruckanschluss zu dem Steuerdruckanschluss.
Gleichzeitig ist der Steuerduckanschluss permanent mit dem Ansaugdruckanschluss über eine
Drosselöffnung
in dem das Ventil betätigenden
Kolbenkörper
verbunden. Die durch den Solenoid generierte Schubkraft agiert gegen
die Kraft einer Feder, die den Ventilschließteil in Ventilschließrichtung
belastet.
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Der
Kapazitätseinstellmechanismus
des Kompressors in
US
5,056,990 A wird direkt vom Ausschiebedruck des Kompressors
und gegen die Kraft des Ansaugdrucks über eine Leckagepassage betätigt. Der
Steuerdruck wird durch den solenoidbetätigten Kapazitätsregler
von dem Ausschiebedruck abgeleitet, der eine Strömungsverbindung zwischen dem
Kapazitätsverstellmechanismus
und der Ansaugseite des Kompressors steuert. In dem Kapazitätscontroller
ist ein hohler Ventilschieber durch Federkraft belastet, um die
Strömungsverbindung
so lange zu blockieren, wie dem Solenoid kein Strom zugeführt wird.
Abhängig
von dem dem Solenoid zugeführten
Strom wird der Schieber durch magnetische Anzugskraft graduell in
den offenen Status der Strömungsverbindung
verschoben.
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Eine
aus
US 4,886,425 A bekannte
Kapazitätsregelvorrichtung
verwendet einen Aktuator eines Membrantyps zum Regeln des Steuerdruckwerts
in strikter Abhängigkeit
von dem Wert des Ansaugdrucks des Kompressors. Der Regelbereich
des Steuerdrucks ist begrenzt durch den Änderungsbereich des Ansaugdrucks.
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Ein
aus
US 4,730,986 A bekannter
Kompressor eines Taumelscheibentyps mit variabler Verdrängung weist
zwei Steuerventile zum Variieren der Kompressorkapazität auf. Das
erste Steuerventil ist rein druckabhängig, während das zweite Steuerventil durch
einen Solenoid betätigt
ist.
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Weiterer
Stand der Technik ist enthalten in
CH 257 521 A .
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Es
ist ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung, einen Kapazitätsregelapparat
eines Kompressors mit variabler Kapazität anzugeben, der kompakte Baugröße hat und
baulich einfach ist, und der es gestattet, einen weiten Regelbereich
zu erzielen, und ein Verfahren zum sauberen Steuern der Kapazität des Kompressors
innerhalb eines breiten Druckbereiches vorzuschlagen.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
mit den Merkmalen, die in Patentanspruch 1 enthalten sind, und mit einem
Verfahren, das im unabhängigen
Patentanspruch 5 offenbart ist.
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Erfindungsgemäß wird ein
breiter Regelbereich erzielt mit einem kompakten und kleinbauenden Regelapparat,
der eine einfache Konfiguration hat. Dies wird erreicht durch Steuern
der Kapazität
des Kompressors mit Hilfe eines Differenzialdrucks, der auf einem
beliebigen Niveau zu dem Ansaugdruck addiert wird mit Hilfe eines
regelnden Kolbenventilkörpers,
der unter anderem durch einen Solenoid belastet wird. Zusätzlich wird
der Ansaugdruck auf den Kolbenventilkörper aufgebracht, so dass ein
Wert des Differenzialdrucks aufrecht gehalten und beliebig eingestellt
werden kann für
die Übertragung
in den Kapazitätseinstellmechanismus,
um die Kapazität des
Kompressors korrespondierend einzustellen. Grundsätzlich ist
der Differenzialdruck, der in Verbindung mit dem Ansaugdruck verwendet
wird, von einem Ausschiebedruck des Kompressors abgeleitet, was
es ermöglicht,
den Druckvariationsbereich für den
Kapazitätseinstellmechanismus
zu erweitern. Der Ansaugdruck verbleibt der führende Regelparameter. Jedoch
wird der Kapazitätseinstellmechanismus
nicht nur vom Ansaugdruck und/oder dessen Druckänderungen gesteuert, sondern
es wird zusätzlich
ein assistierender Differenzialdruck von dem Ausschiebedruck des
Kompressors abgenommen und hinzugefügt. Die Größe des Differenzialdruckes kann
durch einen Solenoid, z. B. einen Proportionalmagneten, eingestellt
und variiert werden.
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Ausführungsformen
der Erfindung werden mit Hilfe der Zeichnungen beschrieben. In den
Zeichnungen sind:
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1 Schnittansichten eines
Kapazitätscontrollers,
eines Kapazitätseinstellmechanismus,
und eines Kreiskolbenkompressors, der in einen Kühlkreis eines Automobil-Klimaanlagensystems
integriert ist,
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2 ein Teilquerschnitt des
in 1 gezeigten Kompressors,
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3 ein Teilquerschnitt eines
Details des Kompressors von 1,
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4 eine schematische Darstellung
des Kapazitätseinstellmechanismus
von 1,
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5 eine Ansicht ähnlich der
von 1, jedoch repräsentierend
die Kondition einer Einstellung der maximalen Kapazität des Kompressors,
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6 eine Ansicht ähnlich der
von 1, jedoch repräsentierend
eine Kondition mit minimaler Kapazität des Kompressor,
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7 ein Diagramm, das das
Regelverhalten des in 1 verwendeten
Kapazitätsregelapparats
repräsentiert,
wobei der Wert eines Differenzialdrucks über den Kapazitätsbereich
des Kompressors gezeigt ist, und
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8 eine Ansicht ähnlich der
von 1 mit einer zweiten
Ausführungsform
eines Kapazitätsregelapparats.
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Die 1 bis 8 zeigen einen Kreiskolbenkompressor 10 mit
variabler Kapazität
im Zusammenspiel mit einem Kapazitätscontroller 20 und
einem Kapazitätseinstellmechanismus 30,
die miteinander verwendet werden in einem Kühlkreis eines Automobil-Klimaanlagensystems,
oder dergleichen. Der Kompressor 10 hat (2) ein kreisförmiges Gehäuse 11, das einen
etwas kleineren kreisförmigen Rotor 12 enthält, der
auf einer exzentrischen Achse 13 angeordnet ist. Dieser
Rotor 12 wird z. B. durch den Motor des Automobils (nicht
gezeigt) angetrieben. In der äußeren Peripherie
des Rotors 12 werden radial verstellbare Dichtstücke 14 durch
Federmittel nach außen
vorgespannt, derart, dass sie die innere Oberfläche des Gehäuses 11 kontaktieren.
An der engsten Position zwischen der inneren Oberfläche des
Gehäuses 11 und
der Peripherie des Rotors 12 ist ein Ausschiebeanschluss 19 vorgesehen
zum Ausschieben komprimierten, unter hohem Druck stehenden Kältemittels
in einen Ausschiebedruckstrang 2. Ein für unter niedrigem Druck stehendes
Kältemittel,
das von einem Verdampfer (nicht gezeigt) zugeführt wird, vorgesehener Ansaugstrang 1 kommuniziert
mit einem Ansauganschluss 15a einer Ansauganschluss-Steuerplatte 15.
Der Anschluss 15a ermöglicht
es, das unter niedrigem Druck stehende Kältemittel in eine Kompressionskammer 18 des Kompressors 10 einzuführen. Die
Platte 15 enthält eine
axiale und überdimensionierte
Bohrung 16 für die
exzentrische Achse 13.
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Die
Kapazität
des Kompressors 10 kann verstellt werden durch Vergrößern oder
Verkleinern des Volumens, d. h., der winkelbezogenen Ausdehnung, der
Kompressions kammer 18, z. B. durch Verdrehen der Ansaugsteuerplatte 15,
um den Ansauganschluss 15a in der Drehrichtung zu versetzen.
Die Steuerplatte 15 weist einen vorstehenden Treibzapfen 17 auf,
der durch den Kapazitätsverstellmechanismus 30 um
die Achse der Platte 15 verstellt werden kann.
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Der
Mechanismus 30 in 4 steuert
die Position des Treibzapfens 17, um die in Drehrichtung gesehene
Orientierung des Ansauganschlusses 15a der Steuerplatte
zu regeln. In einem Zylinder 31 des Mechanismus 30 ist
ein Kolben 32 in axialer Richtung beweglich. Der Treibzapfen 17 greift
in eine Umfangsnut 32a des Kolbens 32 ein. Eine
axiale Bewegung des Kolbens 32 versetzt automatisch die
Steuerplatte 15 um ihre Achse. Der Kolben 32 wird durch eine
Feder 32 in einer Richtung beaufschlagt, in der die Kapazität des Kompressors
zu einem Minimum verstellt wird. Die Feder 32 ist in einem
Teil des Zylinders 31 enthalten. Dieser Teil des Zylinders 31 ist auch
mit dem Ansaugstrang 1 derart verbunden, dass der Druck
im Inneren des Teils des Zylinders 31 mit einem Ansaugdruck
Ps des Kompressors korrespondiert. Der gegenüberliegende Teil des Zylinders 31 (an
der anderen Seite des Kolbens 32) ist mit einem Differenzialdruckanschluss 28c des
Kapazitätscontrollers 20 verbunden,
der als ein Differenzialdruckregler arbeitet. Der Druck in dem anderen
Teil des Zylinders 31 ist ein Steuerdruck Pc, dessen Wert durch
den Controller 20 gesteuert wird. Umso höher dieser
Steuerdruck Pc ist, desto weiter wird der Kolben 32 gegen
die Feder 32 verlagert, und desto weiter wird die Steuerplatte 15 zu
ihrer Position für
eine maximale Kapazität
des Kompressors verdreht. Je niedriger dieser Steuerdruck Pc ist,
desto mehr wird die Steuerplatte 15 durch die Feder 32 und
den Ansaugdruck Ps zu ihrer Position für die minimale Kapazität des Kompressors 10 verdreht.
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Der
Kapazitätscontroller 20,
z. B. von 1, ist ein
fixiertes Differenzialdruckventil und umfasst einen Solenoid (Spule 21,
festen Eisenkern 22 und beweglichen Eisenkern 23)
zum Steuern des Differenzdrucks auch mittels der Drücke an beiden
Enden eines Kolbenventilkörpers 25.
Die treibende Quelle des Solenoids ist die elektromagnetische Spule 21,
der nach Bedarf elektrischer Strom zugeführt werden kann (Proportionalmagnet,
dessen Betätigungskraft direkt
proportional zum Wert des der Spule 21 zugeführten Stroms
ist).
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Zusätzlich sind
Federn 26, 27 vorgesehen, die in zueinander entgegengesetzten
Richtungen auf den Kolbenventilkörper 25 einwirken.
Die Einstellung beider Federn 26, 27 bestimmt
in der Ausführungsform
der 1 einen grundsätzlichen
Maximalwert des Differenzialdrucks (Pc – Ps). Dieser Wert kann jedoch
durch Zuführen
von Strom in die Spule 21 beliebig vermindert werden. Der
bewegliche Eisenkern 23 wird umso stärker vom fixierten Eisenkern 22 angezogen,
je stärker
der Strom ist. Der bewegliche Eisenkern 23 erzeugt einen
Schub F, der über
eine Stange 24, die sich entlang der Achse des fixierten Eisenkerns 20 erstreckt,
auf den Kolbenventilkörper 25 übertragen
wird. Der Schub F wirkt in Öffnungsrichtung
des Differenzialdruckventils des Controllers 20 in 1.
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Der
Ansaugstrang 1 ist mit einem Ansaugdruckanschluss 28s verbunden,
der in einer Seite eines Gehäuses
des Controllers 20 und hinter der rückwärtigen effektiven Druckfläche des
Kolbenventilkörpers 25 vorgesehen
ist, welcher in derselben Richtung durch den Schub F des beweglichen
Eisenkerns 23 beaufschlagt werden kann.
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Der
Kolbenventilkörper 25 kooperiert
mittels eines Ventilschließ-Backenteils 25a am
Frontende mit einem Ventilsitz 42, der zwischen einem den
Kolbenventilkörper 25 aufnehmenden
Raum 41 und dem axial angeordneten Differenzialdruckanschluss 28c vorgesehen
ist. Der Differenzialdruckanschluss 28c des Controllers 22 ist
mit dem erwähnten
anderen Teil des Zylinders 31 an der Seite des Kolbens 32 gegenüberliegend
zur Feder 33 verbunden.
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Daraus
ergibt sich, dass der Steuerdruck Pc, sobald geregelt, mit dem Ansaugdruck
Ps korrespondiert, jedoch um ein Druckinkrement höher als
dieser ist als Folge des Schubs F, der durch den beweglichen Eisenkern 23 erzeugt
wird (und die Einstellung der Federn 26, 27).
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Der
Ausschiebedruckstrang 2 ist mit einem Ausschiebedruckanschluss 28d des
Controllers 20 verbunden. Der Ausschiebedruckanschluss 28d (Ausschiebedruck
Pd) mündet
in der Nähe
des Ventilsitzes 42 an der Umfangsseite des Kolbenventilskörpers 25,
so dass der Ausschiebedruck Pd den Kolbenventilkörper 25 in axialer
Richtung nicht beeinflusst, d. h., dass der Kolbenventilkörper 25 bezüglich des
Ausschiebedrucks Pd druckausgeglichen ist.
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Der
erwähnte
Ventilschließ-Backenteil 25a, der
am Frontende des Kolbenventilkörpers 25 geformt
ist, dient zum Öffnen
und Schließen
des Ventilsitzes 42 zwischen dem Ausschiebedruckanschluss 28d und
dem Differenzialdruckanschluss 28c. Sobald der Ventilbackenteil 25a von
dem Ventilsitz 42 während
einer Bewegung des Kolbenventilkörpers 25 unter
dem Schub F abgehoben ist, wird Druck Pd von dem Ausschiebedruckstrang 2 über den
offenen Ventilsitz 42 in den Differenzialdruckanschluss 28c übertragen,
und zwar entsprechend der initialen Regelkondition des Controllers.
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Wenn
immer der Wert des Drucks an dem Differenzialdruckanschluss 28c niedriger
wird als ein fixierter Wert des Steuerdrucks Pc, wird der Kolbenventilkörper 25 zu
seinem Öffnungsstatus
bewegt, derart, dass eine Strömungsverbindung
hergestellt wird zwischen dem Ausschiebedruckanschluss 28d und
dem Differenzialdruckanschluss 28c. Sobald dann der Wert
des Drucks an dem Differenzialdruckanschluss 28c den fixierten
Wert des Steuerdrucks Pc erreicht, kehrt der Kolbenventilkörper 25 in
seinen Schließzustand
zurück,
so dass er den Differenzialdruckanschluss 28c erneut von
dem Ausschiebedruckanschluss 28d separiert.
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Weiterhin
sind, z. B. außerhalb
des Controllers 20, der Differenzialdruckanschluss 28c und
der Ansaugdruckanschluss 28s direkt miteinander verbunden über eine
Leckagepassage 40 mit einem kleinen Querschnitt, die beispielsweise
vorgesehen ist in einer Verbindung zwischen dem Ansaugstrang 1 und einem
Strang, der den Differenzialdruckanschluss 28c mit dem
Mechanismus 30 verbindet.
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Sobald
der Ventilschließ-Backenteil 25a den Ventilsitz 42 verschließt, wird
es dem Wert des Drucks am Differenzialdruckanschluss 28c ermöglicht,
sich nach und nach über
die Leckagepassage 40 in den Ansaugstrang 1 abzubauen.
Daraus ergibt sich, dass sich der Kolbenventilkörper 25 stets leicht und
axial bewegt und der Steuerdruck Pc auf den fixierten Wert geregelt
wird, z. B. korrespondierend mit dem Wert des der elektromagnetischen
Spule 21 zugeführten
elektrischen Stroms.
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Wie
in 5 gezeigt, wird der
Differenzialdruck (Pc – Ps)
um so größer, je
größer der
Wert des elektrischen Stroms in der elektromagnetischen Spule 21 ist,
und wird die winkelbezogene Position des Ansauganschlusses 15a durch
den Kapazitätsverstellmecha nismus 30 in
einer Richtung nach (max) verstellt. Daraus ergibt sich, dass die
Kapazität
der Ansaug-Kompressionskammer 18 und konsequent der Ausschiebedruck
Pd zunehmen.
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Um
so kleiner der Wert des elektrischen Stroms in der elektromagnetischen
Spule 21 ist, desto kleiner ist der Differenzialdruck (Pc – Ps), wie
in 6 gezeigt, so dass
die winkelbezogene Position des Ansauganschlusses 15a durch
den Kapazitätsverstellmechanismus 30 in
der Richtung zu (min) verstellt wird. Daraus ergibt sich, dass sowohl
die Kapazität
der Ansaug-Kompressionskammer 18 als auch der Ausschiebedruck
Pd abnehmen.
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Wie
in 7 zu sehen ist, wird
die Kapazität der
Kompressionskammer 18 des Kompressors 10 variiert
korrespondierend mit dem Differenzialdruck Pc – Ps durch Steuern des Werts
des elektrischen Stroms in der elektromagnetischen Spule 21.
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Der
Wert des elektrischen Stroms in der elektromagnetischen Spule 21 wird
gesteuert durch Eingeben detektierter Signale von einem Motorsensor,
von Temperatursensoren innerhalb und außerhalb des Fahrzeuginnenraums,
von einem Verdampfersensor, und von mehreren anderen Sensoren, die spezifische
Arten von Konditionen detektieren. Diese Signale werden in einen
Steuerteil eingegeben, der eine CPU aufweist, oder dergleichen.
Diese CPU verarbeitet die eingegebenen Signale und stellt ein Ausgangssignal
bereit, das auf den jeweiligen Verarbeitungsresultaten basiert.
Das Steuersignal wird dann vom Steuerteil 3 zu der elektromagnetischen
Spule 21 ausgegeben, beispielsweise über einen nicht gezeigten Treiberschaltkreis.
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In
einer zweiten Ausführungsform
des Controllers 20, in 8 gezeigt,
kooperiert der Kolbenventilkörper 25 mit
dem Ventilsitz 42' derart,
dass der Ventilsitz 42' durch
den Schließteil 25a' am Frontende
des Kolbenventilkörpers 25 in
der Richtung des durch den Solenoid 21, 22, 23 generierten
Schubs F geschlossen wird. In dieser Ausführungsform ist der Ausschiebedruckanschluss 28d weggelassen.
An derselben Stelle ist vielmehr der Ansaugdruckanschluss 28s vorgesehen.
Der Ausschiebedruckstrang 2 ist über die Leckagepassage 40 direkt
verbunden mit dem Strang, der den Differenzialdruckanschluss 28c mit
dem linken Teil des Zylinders 31 des Mechanismus 30 verbindet.
Der Ansaugdruckanschluss 28s der Ausführungsform von 1 ist weggelassen. Der An saugdruck Ps
kann auf den Kolbenventilkörper 25 in
derselben Richtung einwirken wie der Schub F, nämlich in Richtung zum Schließzustand.
Der Druck im Differenzialdruckanschluss 28c wirkt in Öffnungsrichtung.
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Die
Federn 26, 27 bestimmen einen Basiswert des Differenzialdrucks
Pc – Ps.
Dieser Wert kann beliebig erhöht
werden durch Erhöhen
des Werts des der elektromagnetischen Spule 21 zugeführten Stroms.
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Sobald
der Druck am Differenzialdruckanschluss 28c als Folge von
durch die Leckagepassage 40 hindurchgehendem Druck über den
fixierten Wert des Steuerdrucks Pc ansteigt, wird der Kolbenventilkörper 25 von
seinem Ventilsitz 42' abgehoben.
Zwischen dem Differenzialdruckanschluss 28c und dem Ansaugdruckanschluss 28s wird
eine Strömungsverbindung
hergestellt. Der Steuerdruck Pc fällt auf den fixierten Wert
ab. Sobald der Druck in dem Differenzialdruckanschluss 28c den
fixierten Wert des Steuerdrucks Pc erreicht hat, kehrt der Kolbenventilkörper 25 erneut
in seinen Schließzustand
zurück.
Dann geht erneut unter hohem Druck stehendes Kältemittel durch die Leckagepassage 40 zum
Differenzialdruckanschluss 28c durch, um den fixierten
Wert des Differenzialdrucks Pc – Ps
aufrechtzuerhalten, der durch den Wert des Stroms für die Spule 21 eingestellt
ist.
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In
beiden Ausführungsformen
wird unter hohem Druck stehendes Kältemittel aus dem Ausschiebedruckstrang 2 benutzt,
um den fixierten Druckwert für
den Steuerdruck Pc aufzubauen, jedoch beeinflusst durch den initialen
Wert des Ansaugdrucks Ps.
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Die
Erfindung kann auch verwendet werden zum Regeln der Kapazität eines
Scroll-Kompressor oder
dergleichen anstelle des gezeigten Kreiskolbenkompressors 10.