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Die
Erfindung betrifft ein Expansionsventil, das einen Superkühlungsgrad
regelt, entsprechend den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 9.
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In
Kühlkreisen
werden sogenannte thermostatische Expansionsventile in großem Umfang
verwendet. Thermostatische Expansionsventile sind ausgebildet zum
Regeln der Strömungsrate
des Kältemittels,
das in einen Verdampfer eingeführt
wird, in Abstimmung auf die Temperatur und den Druck des aus dem
Verdampfer austretenden Niederdruck-Kältemittels.
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Eine
andere Möglichkeit
zum Regeln der Strömungsrate
des in den Verdampfer fließenden Kältemittels
besteht darin, ein den sogenannten Superkühlungsgrad regelndes Expansionsventil
zu verwenden, welches im Gegensatz zum dem thermostatischen Expansionsventil
den Grad der Superkühlung des
dem Verdampfer zugeführten
Hochdruck-Kältemittels
detektiert und steuert. Ein Expansionsventil, das den Superkühlungsgrad
steuert, führt
alle erforderlichen Operationen an der Einlassseite des Verdampfers
durch, ohne irgendeiner thermostatischen Ausbildung oder zusätzlicher
Temperatur- oder Druckübertragungspassagen
zu bedürfen.
Dies ist vorteilhaft, da ein Expansionsventil, das den Superkühlungsgrad
steuert, extrem kompakt ausgebildet sein kann.
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In
einem Expansionsventil, das den Superkühlungsgrad steuert (
US 4 324 112 A ),
ist der Ventilsitz in einer Hochdruck-Kältemittelpassage angeordnet,
durch welche das Kältemittel
dem Verdampfer zugeführt
wird, und an einer Stelle an einer Stromaufseite eines drosselnden
Bereiches, der geformt ist durch Verengen eines Zwischenbereiches
der Kältemittelpassage.
Das Ventilelement zum Öffnen
und Schließen
der Kältemittelpassage
liegt dem Ventilsitz gegenüber
und wird zum Ventilsitz durch Beaufschlagungsmittel von einer Stromabseite
belastet. Dieser Ventiltyp ist strukturell einfach und kompakt und
ist dennoch in der Lage, das Ausmaß der Superkühlung des
Hochdruck-Kältemittels
auf ein konstantes Niveau zu steuern. Jedoch vibriert in solchen
bekannten Expansionsven tilen, die den Superkühlungsgrad steuern, das Ventilelement
frei als Folge des Kältemittelstroms
und kollidiert dieses wiederholt mit dem ihn umgebenden Glied, wodurch
ein Geräusch
produziert wird.
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US-A-5 004 008 offenbart
eine Kältemittel-Strommessvorrichtung,
deren Messkolben durch eine Spiralfeder belastet ist, die die Längsachse
des Messkolbens symmetrisch umgibt. In einem offenen Status des
Messkolbens kann die Strömungsdynamik
des Kältemittels
Quervibrationen des Messkolbens hervorrufen.
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US-A-4 194 527 offenbart
ein Druckbegrenzungsventil für
allgemeine hydraulische Anwendungsfälle. Eine an einer Führungsstange
befestigte Ventilscheibe ist in Relation zu einer Ventilsitzöffnung beweglich.
Die Führungsstange
ist in einer stationären
Anlage geführt
und wird relativ zur Anlage seitwärts gekippt, um auf die Ventilscheibe
eine exzentrische Kraft aufzubringen und einen Dämpfungseffekt zu erzielen.
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DE-A-3 045 892 offenbart
ein Expansionsventil für
ein Kühlsystem.
Vibrationen eines Ventilkörpers
in Relation zu einem stationären
Ventilsitz werden durch ein Flüssigkeitskissen
unterdrückt,
das auf der Stromaufseite des Expansionsventils durch zumindest
eine Drosselleitung generiert wird.
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Jedoch
müssen
Expansionsventile, die den Superkühlungsgrad steuern, zuverlässig, extrem feinfühlig und
in einer Umgebung arbeiten (meistens im Motorraum eines Fahrzeugs),
wo permanent externe Vibrationen und erhebliche Temperaturänderungen
auftreten. Aus diesem Grund wurde angenommen, dass das Betriebsverhalten
solcher Expansionsventile, die den Superkühlungsgrad steuern oder regeln, übermäßig leiden
würde,
wenn irgendwelche vibrationsdämpfende
Maßnahmen
implementiert werden.
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Es
ist ein Gegenstand der Erfindung, ein strukturell einfaches, geräuschloses,
leises Expansionsventil, das einen Superkühlungsgrad steuert, anzugeben,
in welchem durch den Kältemittelstrom
induzierte Vibrationen des Ventilelementes ausreichend unterdrückt werden
ohne das Ventilbetriebsverhalten zu verschlechtern, d.h., ohne die
Fähigkeit des
Ventils zu gefährden,
einen im Wesentlichen konstanten Superkühlungsgrad zu steuern.
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Dieser
Gegenstand wird erreicht mit den Merkmalskombinationen von Anspruch
1, Anspruch 2 und Anspruch 5.
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Da
das Beaufschlagungsmittel in dem Expansionsventil, das den Superkühlungsgrad
steuert, das Ventilelement in einer schrägen Richtung drückt in Bezug
auf die axiale Richtung dieses Ventilelements, und zwar gegen ein
Umgebungsglied oder die Umgebung, sobald sich das Ventilglied in
Relation zu dem Ventilsitz bewegt, wird ein Geräusch daran gehindert, produziert
zu werden, sobald das Ventilelement die Tendenz hat, während einer
Vibration unter dem Einfluss des Kältemittelstroms, etc. mit seiner Umgebung
zu kollidieren. Alternativ ist ein das Kältemittel als ein vibrationsabsorbierendes
Material verwendender Flüssigkeitsdämpfer mit
dem Ventilelement gekoppelt, um Vibrationen des Ventilselements zu
beschränken.
Es kann ein leises Expansionsventil mit hoher Qualität erzielt
werden, das den Superkühlungsgrad
steuert.
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Eine
besonders einfache Struktur dieses Expansionsventils mit einem vibrationssicheren
Ventilelement wird geschaffen durch Festlegen der mechanischen Zusammenarbeit
zwischen der Kompressionsschraubenfeder und dem Ventilglied derart,
dass die Kompressionsschraubenfeder das Ventilelement während dessen
Bewegungen im Kontakt mit den seitlichen Umgebungen hält. Dies
wird entweder erreicht durch ein vorstehendes Federwindungsende, das
das Ventilelement versetzt zu dessen Längsachse kontaktiert, oder
durch Anordnen des aktiven Endbereichs der Kompressionsschraubenfeder
in Querrichtung versetzt in Bezug auf die Längsachse des Ventilelements.
Diese vorbestimmte Zusammenarbeit unterdrückt insbesondere Quervibrationen
des Ventilelements, da dieses in Kontakt mit den in Querrichtungen
vorliegenden Umgebungen gehalten ist, während es sich in Relation zu
dem Ventilsitz bewegt, wobei, vorteilhafterweise, diese Maßnahme nicht
zu irgendeinem abträglichen
Effekt für
das Ventilbetriebsverhalten führt.
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Wenn
das Ventilelement alternativ mit einem Flüssigkeitsdämpfer gekoppelt ist, dann kann
das Kältemittel
effizient benutzt werden, Vibrationen des Ventilelementes zu absor bieren,
insbesondere axiale Vibrationen. Die Bewegung des Ventilelementes während des
Betriebs des Expansionsventils saugt Kältemittel durch einen engen
Spalt in die oder pumpt dieses aus der Zylinderkammer. Die Strömung durch diesen
engen Spalt wird gedrosselt und unterdrückt deshalb die Vibration.
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Ausführungsformen
der Erfindung werden mit Hilfe der Zeichnung beschrieben. In der
Zeichnung ist:
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1 ein Längsschnitt einer ersten Ausführungsform
eines Expansionsventils in einem Zustand, in welchem ein Ventilelement
von einem Ventilsitz abgehoben ist,
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2 ein Längsschnitt wie in 1 mit dem Ventilelement
aufgesetzt auf den Ventilsitz,
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3 eine Querschnittsansicht
in einer Schnittebene III-III von 2,
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4 ein Längsschnitt eines Kältemittelsrohres,
das das Expansionsventil der 1 bis 3 aufnimmt,
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5 ein Längsschnitt einer zweiten Ausführungsform
eines Expansionsventils,
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6 eine Seitenansicht einer
dritten Ausführungsform
eines Expansionsventils, das einen Superkühlungsgrad steuert,
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7 ein Längsschnitt der dritten Ausführungsform
zum Illustrieren einer Strömungsrichtung von
rechts nach links,
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8 ein Längsschnitt ähnlich dem von 4 zum Illustrieren einer Strömungsrichtung
von links nach rechts,
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9 eine vergrößerte Seitenschnittansicht eines
Details der dritten Ausführungsform,
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10 eine vergrößerte Seitenschnittansicht
eines anderen Details der dritten Ausführungsform,
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11 ein in der Ebene XI-XI
in 9 genommener Querschnitt,
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12 ein in einer Ebene XII-XII
in 9 genommener Querschnitt,
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13 eine Längsschnittansicht
einer vierten Ausführungsform,
und
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14 eine Längsschnittansicht
einer fünften
Ausführungsform
eines Expansionsventils, das einen Superkühlungsgrad regelt.
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Die 1 bis 3 illustrieren eine erste Ausführungsform
eines Expansionsventils 10, das einen Superkühlungsgrad
steuert. 4 zeigt dieses
Expansionsventil 10 eingepasst in ein Kältemittelrohr 1 beispielsweise
eines Autokühlsystems.
In 4 wird Kältemittel
unter hohem Druck von einer Stromaufseite (von links) in das Kältemittelrohr 1 eingeführt. Das
Expansionsventil 10 liegt gegen eine Einschnürung 1a an,
die geformt ist, z.B. durch Einfalzen des Kältemittelrohrs 1.
An einer stromaufseitigen Hälfte des
Expansionsventils ist ein Staub entfernender Filter 11 befestigt.
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In 2 ist das Expansionsventil 10 geschlossen.
Ein Ventilelement 14 wird von stromab nachgiebig gegen
einen Ventilsitz 13 gezwungen, der in einem zylindrischen
Gehäuse 12 geformt
ist. Der Staub entfernende Filter 11 (eine Kappe, hergestellt aus
einem feinmaschigen Netz) ist an dem zylindrischen Gehäuse 12 befestigt.
Stromab ist eine gedrosselte Passage 22 vorgesehen. Der
Staub entfernende Filter 11 fängt Unreinheiten auf, die eine
vorbestimmte Größe übersteigen.
Demzufolge werden Abfälle
und dgl., die im Kältemittel
enthalten sind, durch den Filter 11 zurückgehalten, und daran gehindert,
in das Expansionsventil oder in die gedrosselte Passage 22 zu
fließen.
Auf das zylindrische Gehäuse 12 gepasste
O-Ringe 15 dichten zwischen dem Gehäuse und der Innenoberfläche des
Kältemittelrohrs 1 ab.
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Der
Ventilsitz 13 hat einen inneren kreisförmigen Rand an einem gestuften
Bereich einer Kältemittelpassage 16,
die in dem zylindrischen Gehäuse 12 geformt
ist. Diese Kältemittelpassage 16 hat
eine stromaufseitige Passage 16a mit einem kleinen Durchmesser
und eine stromabseitige Passage 16b mit einem großen Durchmesser.
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Das
Ventilelement 14 (1)
besitzt einen Schließteil 14a,
der in den Ventilsitz 13 eingepasst ist, einen konischen
Teil 14b, der dem Rand des Ventilsitzes von einer Stromabseite
gegenüberliegt,
drei Führungsbeine 14c,
die sich durch den Ventilsitz 13 und entlang der inneren
Umfangsfläche
der stromaufseitigen Passage 16a erstrecken, und drei Stützbeine 14d,
die nach stromab vorstehen und sich entlang der inneren Umfangsfläche der
stromabseitigen Passage 16b erstrecken.
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Das
Ventilelement 14 liegt dem Ventilsitz 13 gegenüber, während es
von stromab durch eine Kompressionsschraubenfeder 18 beaufschlagt
ist, welche das nachgiebige Beaufschlagungsmittel des Expansionsventils 10 definiert.
Abhängig
von der relativen Größe der Kältemittel-Druckdifferenz
zwischen den Stromauf- und den Stromabseiten des Ventilsitzes 13 und
von der Beaufschlagungskraft der Kompressionsschraubenfeder 18 kommt
das Ventilelement 14 entweder in Kontakt mit oder ist es
separiert von dem Rand des Ventilsitzes, um die Strömungsrate
des Kältemittels
zu steuern, das durch das Kältemittelrohr 1 durchgeht.
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Die
Kompressionsschraubenfeder 18 hat an ihren voneinander
abgewandten Enden keine Endwindungen, die eine Ebene definieren
würden
senkrecht zu der Federlängsachse,
sondern jeder Endbereich ist ausgebildet durch einfaches Abschneiden des
Drahtgliedes, das die Federwindungen konstituiert. Insbesondere
ist ein frei endendes Windungsende hergestellt durch Abschneiden
der Endwindung, z.B. senkrecht zur Kernlinie dieser Endwindung.
Diese Endwindung kann sich bis zu dem freien Windungsende mit zumindest
im Wesentlichen derselben Windungssteigung erstrecken, wie auch
die anderen Federwindungen in dieser Kompressionsschraubenfeder.
Konsequent wirkt die Beaufschlagungskraft der Kompressionsschraubenfeder 18 auf das
Ventilelement 14 in einer schrägen Richtung, die in Bezug
auf das Ventilelement 14 geneigt ist.
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Das
freie Windungsende der Kompressionsschraubenfeder 18 kontaktiert
eine Anlagefläche
des Ventilelementes 14, welche durch die erwähnten Beine 14d umgeben
ist, und zwar an einem Kraftübertragungspunkt,
der gegenüber
der Längsachse
des Ventilelementes 14 versetzt liegt. Anstelle von oder zusätzlich könnte diese
Anlagefläche
in Bezug auf die Längsachse
des Ventilelementes 14 mit einem Winkel verschieden von
90° geneigt
sein.
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Ein
Federsitzglied 20 nimmt einen fixierte Endbereich der Kompressionsschraubenfeder 18 auf.
Das Sitzglied 20 ist an einem stromabseitigen Ende des
zylindrischen Gehäuses 12 festgelegt.
In 3 hat das Federsitzglied 20 eine
ringförmige
Restriktion, die die gedrosselte Passage 22 definiert. Sie
hat eine kleine Querschnittsfläche
und setzt in Umfangsrichtung verteilte Kältemittelpassageöffnungen 21 fort.
Das dort durchgehende Kältemittel
expandiert adiabatisch an der Stromabseite der gedrosselten Passage 22.
Ein Verdampfer (nicht gezeigt) ist an die Stromabseite des Expansionsventils 10 angeschlossen,
so dass das Kältemittel
in den Verdampfer eingeführt
wird, während
es adiabatisch expandiert.
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Das
unter hohem Druck stehende Kältemittel an
der Stromaufseite des Ventilsitzes befindet sich in einem supergekühlten Flüssigstatus.
Nach dem Durchgehen durch den Spalt zwischen dem Rand des Ventilsitzes
und dem abgehobenen Ventilelement 14 ist es jedoch nicht
mehr länger
supergekühlt, sondern
entwickelt es Blasen.
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Falls
das Ausmaß der
Superkühlung
des unter hohem Druck stehenden Kältemittels an der Stromaufseite
abnimmt, werden in dem Kältemittel an
der Stromabseite des Ventilsitzes 13 mehr Blasen produziert,
was eine konsequente Reduktion der Strömungsrate des Kältemittels
bewirkt. Deshalb wird das Ventilelement 14 in Schließrichtung
(2) bewegt, mit dem
Ergebnis, dass das Ausmaß der
Superkühlung
des Kältemittels
an der Stromaufseite erneut zunimmt. Sobald das Ausmaß der Superkühlung des
unter hohem Druck stehenden Kältemittels an
der Stromaufseite zunimmt, werden auch weniger Blasen in dem Kältemittel
an der Stromabseite des Ventilsitzes 13 produziert. Auch
die Strömungsrate des
Kältemittels
nimmt zu. Deshalb wird das Ventilelement 14 in Öffnungsrichtung
(1) bewegt, so dass
es das Ausmaß der
Superkühlung
an der Stromaufseite reduziert. Dank dieser Bewegungen des Ventilelementes
wird das Ausmaß oder der
Grad der Superkühlung
des unter hohem Druck stehenden Kältemittels an der Stromaufseite
konstant gehalten.
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Während seiner
Bewegung bleibt das Ventilelement 14 gegen die innere periphere
Fläche
der Kältemittelpassage 16 angepresst,
da die Beaufschlagungskraft der Kompressionsschraubenfeder 18 auf
das Ventilelement 14 in einer schrägen Richtung einwirkt, d.h.,
in Bezug auf dessen axiale Richtung gegenüber dessen Längsachse
geneigt ist. Daraus ergibt sich, dass es dem Ventilelement 14 zu
keiner Zeit möglich
ist, in Querrichtungen frei zu vibrieren, auch dann nicht, falls
die Strömung
des Kältemittels
sich ändert
oder mehr oder weniger Blasen auftreten, oder Ähnliches eintritt, so dass
deshalb kein Geräusch
produziert wird.
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In 5 (eine zweite Ausführungsform)
ist ein Schließteil 14a des
Ventilelementes 14 nicht in den Ventilsitz 13 (wie
in 1) eingepasst, sondern der
Schließteil 14a liegt
von der Stromabseite direkt an dem Ventilsitz 13 an, um
die Kältemittelpassage 16 zu
schließen.
Der Ventilsitz 13 wird durch eine ringförmige, sich axial erstreckende
Rippe konstituiert. Der Schließteil 14a ist
hier aus einem elastischen Material ausgebildet, wie aus Gummi.
Andere strukturelle Merkmale im Betrieb sind dieselben wie die der
ersten Ausführungsform.
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Eine
dritte Ausführungsform
in den 7 bis 12 ist ein bidirektionales
Expansionsventil 10, das den Superkühlungsgrad regelt (das Kältemittel
kann in einander entgegengesetzten Richtungen strömen). In 6 sind Staub entfernende
Filter 11 jeweils an beiden vorderen und hinteren Enden
des Expansionsventils 10 angebracht.
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In
den 7 und 8 sind zwei Ventilsitze 13 in Serie
angeordnet, und sind zwischen den Ventilsitzen 13 zwei
Ventilelemente 14 mit ihren Rückseiten zueinanderweisend
angeordnet. Eine Kompressionsschraubenfeder 18, die das
Beaufschlagungsmittel für
beiden Ventilelemente konstituiert, ist zwischen die beiden Ventilelemente 14 eingesetzt.
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Durch
kugelige Ventilelemente 30 werden gedrosselte Passagen 22 definiert,
deren jede zum adiabatischen Expandieren des Kältemittels abhängig von
der Strömungsrichtung
dient, wobei die Ventilelemente 30 in den Ventilelementen 14 angeordnet sind.
In den
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9 und 10 hat jedes Ventilelement 14 eine Aufnahmekammer 32 für ein kugeliges
Ventil, die in einem Zwischenbereich einer sich axial erstreckenden
Kältemittelpassage 31 geformt
ist, und deren jede das korrespondierende kugelige Ventilelement 30 aufnimmt.
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Von
den zwei kugeligen Ventilelementen 30 schließt das in
dem jeweils stromaufseitigen Ventilelement 14 untergebrachte
Ventilelement 30 die Kältemittelpassage 31,
wie in 9 gezeigt. Die
Aufnahmekammer 32 für
das Kugelventil hat eine Durchmessergröße, die größer ist als der Durchmesser
des kugeligen Ventilelementes 30. Um das stromabseitige
kugelige Ventilelement 30 wird ein Spalt ausgebildet, während dieses
mit drei kleinen Vorsprüngen 34 (10) in Kontakt steht und
von diesen zentriert wird. Die gedrosselte Passage 22 wird
definiert durch den Spalt in dem jeweiligen stromabseitigen Ventilelement 14.
Die Kompressionsschraubenfeder 18 hat keine abgeflachten
Endwindungen an ihren voneinander abgewandten Enden, sondern jeder
Endbereich ist so geformt, dass einfach ein Drahtglied abgeschnitten
ist, wie dies erläutert
wurde im Detail in Verbindung mit der ersten Ausführungsform.
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Als
Konsequenz wirkt die Beaufschlagungskraft der Kompressionsschraubenfeder 18 auf
jedes Ventilelement 14 in einer schrägen Richtung geneigt in Bezug
auf die axiale Richtung des Expansionsventils 10. Deshalb
ist es den Ventilelementen 14 zu keiner Zeit gestattet,
beim Öffnen
oder Schließen
als Folge einer Veränderung
der Kältemittelströmung in Querrichtung
zu vibrieren, so dass kein Geräusch produziert
wird. Vielmehr werden die Ventilelemente in Querrichtung in Kontakt
mit ihrem jeweiligen Ventilsitz 13 gehalten.
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In
einer vierten Ausführungsform
in 13 sind die Kompressionsschraubenfeder 18 und
das Ventilelement 14 in Bezug zueinander exzentrisch angeordnet,
d.h., die Längsachse
der Kompressionsschraubenfeder 18, oder zumindest deren
Endbereich, und die Längsachse
des Ventilelements 14 sind in Relation zueinander in Querrichtung
versetzt.
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Mit
dieser exzentrischen Anordnung wirkt die Beaufschlagungskraft der
Kompressionsschraubenfeder 18 auf jedes Ventilelement 14 in
einer schrägen Richtung
geneigt in Be zug auf dessen axiale Richtung, sogar dann, wenn die
Kompressionsschraubenfeder 18 normal abgeflachte Endwindungen
an ihren voneinander abgewandten Enden haben sollte, d.h., Endwindungen
in Ebenen senkrecht zu den Längsachsen
der Schraubenfeder und des Ventilelements. Demzufolge wird jedes
Ventilelement 16 stets gegen die innere Umfangsfläche der
Kältemittelpassage 16 angepresst,
und ist es ihm zu keiner Zeit gestattet, quer zu vibrieren, so dass
kein Geräusch
produziert wird.
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In 14 ist in einer fünften Ausführungsform
ein hydraulisches Vibrationsunterdrückungsmittel vorgesehen. An
dem Kopf des Ventilelementes 14 ist ein kolbenähnlicher
Teil 14e geformt, der mit einem kleinen radialen Spalt
in einem Zylinder 40 aufgenommen ist, der in der stromaufseitigen
Kältemittelpassage 16a vorgesehen
ist. Bei Bewegungen des Ventilelementes 14 strömt das Kältemittel
in den und aus dem Zylinder 40 durch den erwähnten Spalt,
der definiert ist zwischen dem kolbenähnlichen Teil 14a und
dessen Zylinder 40, und zwar unter Formung eines Flüssigkeitsdämpfers,
der das Kältemittel
selbst als ein Dämpfmaterial
benutzt. Es können
so sogar feine axiale Vibrationen des Ventilelementes 14 unterdrückt werden.