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Diese
Erfindung bezieht sich auf ein Verdrängungs-Steuerventil gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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Ein
solches Verdrängungs-Steuerventil
wird zum Gebrauch in einem Kompressor mit variabler Verdrängung in
einem Kühlkreis
einer Klimaanlage eines Automobils vorgesehen.
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Der
Kompressor in einem Kühlkreis
einer Klimaanlage eines Automobils wird durch dessen Motor angetrieben,
und deshalb kann die Kompressordrehzahl nicht individuell gesteuert
werden. Aus diesem Grund werden Kompressoren mit variabler Verdrängung verwendet,
um unabhängig
von der Motordrehzahl eine adäquate
Kühlkapazität zu erzielen.
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In
einem bekannten Kompressor eines Taumelscheibentyps mit variabler
Verdrängung
sind Kolben mit einer auf einer vom Motor getriebenen Welle angeordneten
Taumelscheibe verbunden. Der Neigungswinkel der Taumelscheibe wird
variiert, um die Kolbenhublänge
zu ändern
und so die Abgabemenge des Kompressors zu variieren. Der Neigungswinkel wird
durch Einführen
komprimierten Kältemittels
in eine gasdichte Druckregelkammer kontinuierlich variiert, in dem
der Kältemitteldruck
variiert wird, um die Drücke
zu modifizieren, die an den gegenüberliegenden Enden jedes Kolbens
wirken.
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Ein
bekanntes, solenoidgesteuertes Kompressorverdrängungs-Steuerventil (JP-2001-132650 A) ist zwischen
einem Abgabeanschluss und der Druckregelkammer des Kompressors oder
zwischen dem Abgabeanschluss und einem Ansauganschluss angeordnete.
Das Steuerventil arbeitet so, dass der Differentialdruck über das
Steuerventil an einem vorbestimmten Wert gehalten wird, der mit
einem Wert des Stroms korrespondiert, welcher dem Solenoid zugeführt wird.
Wenn die Motordrehzahl zunimmt, wird der Druck in der Druckregelkammer
erhöht,
um die Kolbenhublänge
zu verkürzen
und die Kompressionsverdrängung
zu reduzieren. Wenn die Motordrehzahl abnimmt, wird auch der Druck
in der Druckregelkammer vermindert, um die Kompressionsverdrängung zu erniedrigen.
Der Abgabedruck des Kompressors hat dann ein konstantes Niveau.
Das Kältemittel
ist allgemein eine Kohlenwasserstoff-Alternative wie HFC-134a. In
jüngster
Vergangenheit entwickelte Kühlkreise
verwenden ein anderes Kältemittel,
z.B. Kohlendioxid, um eine Kühlung
in einem überkritischen
Bereich durchzuführen,
in welchem die Temperatur des Kältemittels
oberhalb dessen kritischer Temperatur ist. Die Betriebsdrücke von
CO2 sind signifikant höher als die von HFC-134a. Um
die maximale Betriebsverdrängung
des Kompressors einzustellen, muss eine maximale Menge oder Strömungsrate
des Kältemittels
von der Druckregelkammer in die Ansaugkammer eingeführt werden,
um den Druck in der Druckregelkammer rasch zu vermindern. Falls
die Querschnittsgröße des Ventils
klein ist, wird auch die Menge oder Strömungsrate klein bleiben und
der Übergang
zum Betrieb mit maximaler Verdrängung
lange dauern, was die Steuerbarkeit des Kompressors verschlechtert.
Falls nur die Größe des Ventils
vergrößert wird,
um die Menge oder Strömungsrate
zu steigern, wird auch die druckaufnehmende Fläche der beweglichen Ventilkomponente vergrößert und
ist demzufolge eine unerwünscht
große
Solenoidkraft notwendig, um das Ventil zu steuern. Insbesondere
mit Kohlendioxid, dessen Druck über
den kritischen Bereich gesteigert ist, wird der Abgabedruck sehr
hoch, so dass auch die Solenoidkraft sehr groß sein muss. Dies erfordert
einen sehr großen
Solenoid, was die Größe des Solenoidventils steigert
und in hohen Herstellungskosten resultiert.
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Das
solenoidbetätigte
Steuerventil des Kompressors eines Taumelscheibentyps mit variabler
Kapazität
von
EP 1 106 831 A (
7) enthält eine Differentialdruck-Fühlsektion
zum Abtasten des Differentialdrucks zwischen dem Abgabedruck und
dem Ansaugdruck. Die Differentialdruck-Fühlsektion regelt den Hub des
Ventilelementes des Steuerventils indirekt mittels eines Plungers
und einer Feder. Die Feder kann die Übergangsphasen zwischen dem
Betrieb mit maximaler und minimaler Verdrängung verzögern. Patentanspruch 1 ist
gegenüber
dieser Offenbarung charakterisiert.
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Es
ist ein Gegenstand der Erfindung, ein Verdrängungs-Steuerventil anzugeben,
welches in der Lage ist, die Übergänge zwischen
operativen Verdrängungen
des Kompressors rasch zu steuern, und welches ohne einen großen und
starken Solenoid sogar dann operiert, wenn die Größe der Strömungsquerschnittssektion
in dem Ventil groß ist,
um, falls angebracht, die Menge oder Strömungsrate des Kältemittels
zu vergrößern.
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Dieser
Gegenstand wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 erreicht.
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Die
Separation zwischen der Ventilsektion und der Differentialdruck-Fühlsektion
ermöglicht
es, den Durchmesser eines Bereiches zu reduzieren, welcher an voneinander
abgewandten Enden die Drücke
aus der Ansaugkammer und der Abgabekammer aufnimmt, um den Differentialdruck
abzutasten, und einen gewünschten
Differentialdruck mit einer kleinen Solenoidkraft einer moderat
dimensionierten Solenoidsektion einzustellen. Ferner ist es mit
dem großdimensionierten
Ventilelement möglich, während Übergangsphasen
eine große
Menge oder Strömungsrate
des Kältemittels
einzusteuern. Dies verkürzt
die Zeitperiode, die notwendig ist, z.B., um den Übergang
zu der maximalen operativen Verdrängung durchzuführen. Die
Differentialdruck-Fühlsektion
detektiert den Differentialdruck durch das Differentialdruck-Fühlelement,
z.B., eine kleindurchmeßrige
Kolbenstange, um die Solenoidkraft gering zu halten, die zum Einstellen
des Differentialdrucks benötigt
wird. Die Größe des Ventilelementes,
dessen Ventilhub durch die Kolbenstange gesteuert wird, ist groß, wie auch
die Querschnittsgröße des Ventilsitzes,
um die Strömungsrate
des Kältemittels
zu erhöhen,
wenn das Ventil voll geöffnet
ist. Das Ventilelement ist so konfiguriert, dass die Einflüsse des Drucks
aus der Druckregelkammer und des Ansaugdrucks aus der Ansaugkammer
beseitigt sind. Das Ventilelement kann nur durch den ermittelten
und direkt durch die Kolbenstange übertragenen Differentialdruck
gesteuert werden. Die Solenoidkraft kann vermindert sein. Eine kleindimensionierte
Solenoidsektion resultiert in einem kleindimensionierten und kostengünstigen
Verdrängungs-Steuerventil.
Das großdimensionierte
Ventilelement ermöglicht
es auch, die Zeitperiode zu verkürzen,
die für
den Übergang
zu der maximalen oder minimalen operativen Verdrängung erforderlich ist.
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Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden unter Bezug auf die Zeichnungen
beschrieben. Es zeigen:
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1 eine
Querschnittsansicht eines Kompressors mit variabler Verdrängung und
einem Verdrängungs-Steuerventil,
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2 eine
Längsschnittansicht
einer ersten Ausführungsform
des Verdrängungs-Steuerventils, und
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3 eine
Längsschnittansicht
einer zweiten Ausführungsform
des Verdrängungs-Steuerventils.
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Der
Kompressor mit variabler Verdrängung in 1 umfasst
eine luftdichte Druckregelkammer 1 und eine eine Riemenscheibe 3 tragende
Welle 2, die über
eine Kupplung und einen Riemen mit einer Ausgangswelle des Motors
verbunden ist. Der Welle 2 ist eine Taumelscheibe 4 aufgepasst.
Der Neigungswinkel der Taumelscheibe 4 kann variiert werden.
Zylinder 5 (nur einer wird gezeigt) sind um die Achse der Welle 2 herum
verteilt angeordnet. Jeder Zylinder 5 enthält einen
mit der Taumelscheibe 4 verbundenen Kolben 6.
Jeder Zylinder 5 ist mit einer Ansaugkammer 9 und
einer Abgabekammer 10 über
ein Ansaugventil 7 und ein Abgabeentlastungsventil 8 jeweils verbunden.
Die Ansaugkammern 9 bilden eine Kammer, die mit einem Verdampfer
des Kühlkreises
verbunden ist. Die Abgabekammern 10 bilden eine Kammer,
die mit einem Gaskühler
oder einem Kondensator verbunden ist.
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Eine
Differentialdruck-Fühlsektion
eines Verdrängungs-Steuerventils 11 erhält den Abgabedruck Pd
aus der Abgabekammer 10 und den Ansaugdruck Ps aus der
Ansaugkammer 9. Das Verdrängungs-Steuerventil 11 ist
in einer Kältemittelpassage angeordnet,
welche sich von der Druckregelkammer 1 zu der Ansaugkammer 9 erstreckt.
Das Steuerventil 11 regelt die Strömungsrate des Kältemittels
unter Ansprechen auf einen Differentialdruck zwischen dem Abgabedruck
Pd und dem Ansaugdruck Ps, der durch die in dem Steuerventil 11 vorgesehene
Differentialdruck-Fühlsektion
abgetastet wird. Zwischen der Abgabekammer 10 und der Druckregelkammer 1 ist
eine Drossel 12 angeordnet.
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Wenn
sich die Welle 2 dreht, rotiert die schräggestellte
Taumelscheibe 4, und bewirkt dies hin- und hergehende Bewegungen
jedes Kolbens 6. Das Kältemittel
wird aus der Ansaugkammer 9 in den Zylinder 5 eingesaugt,
darin komprimiert, und dann in die Abgabekammer 10 ausgestoßen.
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Während normalem
Betrieb, unter Ansprechen auf den Abgabedruck Pd und den Ansaugdruck Ps,
wie von der Differentialdruck-Fühlsektion
aufgenommen, steuert das Verdrängungs-Steuerventil 11 die
Menge des Kältemittels,
das aus der Druckregelkammer 1 zu der Ansaugkammer 9 strömt, derart, dass
der durch die Differentialdruck-Fühlsektion
ermittelte Differentialdruck an einem vorbestimmten Differentialdruckwert
gehalten wird. Als ein Resultat wird der Druck Pc in der Druckregelkammer 1 an
den vorbestimmten Druck gehalten, wodurch die Verdrängung jedes
Zylinders 5 zu einem vorbestimmten Wert gesteuert wird.
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Während eines Übergangs
zu der minimalen operativen Verdrängung schließt das Verdrängungs-Steuerventil 11 vollständig. Von
der Druckregelkammer 1 geht kein Kältemittel durch in die Ansaugkammer 9.
Dies verkürzt
die Zeitperiode, während
welcher der Druck Pc gesteigert wird.
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Während des Übergangs
zu der maximalen operativen Verdrängung ist das Verdrängungs-Steuerventil 11 voll
geöffnet,
um die Menge oder Strömungsrate
des Kältemittels
zu maximieren, das aus der Druckregelkammer 1 zu der Ansaugkammer 9 strömt. Etwas
von dem Kältemittel
strömt
auch aus der Abgabekammer 10 über die Drossel 12 in
die Druckregelkammer 1, wohingegen Kältemittel hauptsächlich aus
der Abgabekammer 10 über
das geöffnete
Ventil in die Druckregelkammer 1 fließt, da das Ventil eine großdimensionierte
Ventilöffnung
besitzt. Der Druck Pc in der Druckregelkammer 1 wird rasch reduziert.
Dies verkürzt
die Zeitperiode, die für
den Übergang
zu dem Betrieb mit maximaler Verdrängung benötigt wird.
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Das
Verdrängungs-Steuerventil 11 in 2 enthält die erwähnte Differentialdruck-Fühlsektion zum Abtasten des
Abgabedrucks Pd und des Ansaugdrucks Ps, eine Ventilsektion, die
die Menge oder Strömungsrate
des Kältemittels
regelt, die von der Druckregelkammer 1 zu der Ansaugkammer 9 durchgeht,
und eine Solenoidsektion zum Einstellen eines Werts zum Beginnen
einer Strömungsratensteuerung
durch einen Strom, der von außen
basierend auf dem Differentialdruck zwischen dem Abgabedruck Pd
und dem Ansaugdruck Ps zugeführt
wird. Alle diese erwähnten
Sektionen sind entlang einer gemeinsamen Achse angeordnet.
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Die
Differentialdruck-Fühlsektion
enthält
einen Halter 22, der in eine Öffnung eines Körpers 21 eingeschraubt
ist, und eine kleindurchmeßrige
Kolbenstange 23, die durch den Halter 22 axial
beweglich geführt
ist. Der Körper 21 trägt eine
mit Gewinde versehene Kappe 24, die zum Einführen des
Abgabedrucks Pd Kommunikationsöffnungen
enthält.
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Die
Ventilsektion enthält
ein Ventilelement 26, das entlang der Achse des Körpers 21 angeordnet
ist, und einen in dem Körper 21 ausgebildeten Ventilsitz 27.
Das Ventilelement 26 wird in Ventilschließrichtung
durch eine Feder 29 beaufschlagt, die zwischen dem Ventilelement 26 und
dem Halter 22 angeordnet ist. Der Ventilsitz 27 kommuniziert über eine
Ventilöffnung
mit einem Anschluss 30, der durch den Körper 21 geformt ist.
Der Anschluss 30 ist mit einer Kältemittelpassage zum Einführen des
Kältemittels
aus der Druckregelkammer 1 in das Verdrängungs-Steuerventil 11 verbunden.
Der Anschluss 30 wird durch einen Filter 31 abgedeckt.
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Der
Körper 21 hat
einen hohlen zylindrischen Öffnungsbereich
mit einem inneren Durchmesser, der dem inneren Durchmesser der Ventilöffnung gleich
ist, und einen in dem zylindrischen Bereich axial beweglich angeordneten
Schaft 32. Ein in dem mit dem Anschluss 30 kommunizierendem
hohlen zylindrischen Öffnungsbereich
angeordneter Abschnitt des Schaftes 32 hat einen reduzierten
Durchmesser. Das obere Ende des Schaftes 32 ist in das
Ventilelement 26 durch Einpressen eingepasst. Ein großdurchmeßriger Abschnitt
des Schaftes 32 besitzt eine Peripherie, die mit einer
Vielzahl Nuten ausgebildet ist, um eine Labyrinthdichtung zu formen.
Kommunikationsöffnungen 33 erstrecken
sich parallel zur Achse durch den Körper 21, ausgehend
von einem Raum, der das Ventilelement 26 enthält.
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Der
Körper 21 ist
in die obere Öffnung
eines Körpers 34 eingeschraubt.
Ein Raum unterhalb des Körpers 21 in
dem Körper 34 kommuniziert
mit einem seitlichen Anschluss 35 des Körpers 34. Der Anschluss 35 ist
mit einer Kältemittelpassage
verbunden, die zu der Ansaugkammer 9 führt. Der Körper 34 hat eine untere Öffnung,
in welche ein oberer Bereich eines fixierten Kerns 36 und
ein oberer Endabschnitt einer Hülse 37 starr
fixiert sind, die beide zu der Solenoidsektion gehören. Die
Hülse 37 wird
durch einen Stoppen 38 verschlossen. Ein axialer Schaft 39 erstreckt
sich durch den fixierten Kern 36. Der Schaft 39 hat
ein oberes Ende, das durch eine Führung 40 axial geführt wird,
welche in eine zentrale Öffnung des
fixierten Kerns 36 eingeschraubt ist. Der Schaft 39 hat
auch ein unteres Ende, das durch eine Führung 41 in dem Stopper 38 axial
geführt
wird. Auf einen unteren Abschnitt des Schaftes 39 ist ein
beweglicher Kern 42 aufgepasst. Der bewegliche Kern 42 besitzt
ein oberes Ende, welches an einem Anschlagring 43 an dem
Schaft 39 zur Anlage kommen kann, und wird nach oben durch
eine Feder 44 beauf schlagt, die zwischen dem beweglichen
Kern 42 und der Führung 41 angeordnet
ist. Die Hülse 37 ist
von einer Solenoidspule 45 umgeben.
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Der
Körper 21 besitzt
an einer distalen Endseite des Anschlusses 30 einen O-Ring 46,
und O-Ringe 47, 48 an gegenüberliegenden Seiten des Anschlusses 35.
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Der
im Durchmesser reduzierte Abschnitt des Schaftes 32 nimmt
den Druck Pc über
den Anschluss 30 aus der Druckregelkammer 1 auf.
Die jeweils wirksamen Druckaufnahmebereiche des Ventilelementes 26 und
des Schaftes 32 sind gleich. Der Druck Pc wird auf das
Ventilelement 26 in einer Aufwärtsrichtung (in der Figur)
aufgebracht, während
der Druck Pc auch auf den Schaft 32 in einer Richtung nach
unten aufgebracht wird. Der Ansaugdruck Ps in dem Anschluss 35 wird
nicht nur auf die untere Endfläche
des Schaftes 32 aufgebracht, sondern über die Kommunikationsöffnungen 33 auch
auf das Ventilelement 26. Deshalb sind die einstückige Struktur
aus dem Ventilelement 26 und dem Schaft 32 frei
von Einflüssen
der Drücke
Pc und Ps.
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Die
Kolbenstange 23 nimmt den Abgabedruck Pd aus der Abgabekammer 10 an
einem oberen Endabschnitt auf, und an einem unteren Endabschnitt
den Ansaugdruck Ps aus der Ansaugkammer 9. Daraus ergibt
sich eine nach unten orientierte Kraft, die in der Größe von dem
Differentialdruck zwischen dem Abgabedruck Pd und dem Ansaugdruck Ps
abhängt,
und die auf die Kolbenstange 23 aufgebracht wird und das
Ventilelement 26 in Ventilschließrichtung beaufschlagt. Die
Kolbenstange 23 hat einen ausreichend kleineren Durchmesser
als der Schaft 32 und kleine druckaufnehmende Bereiche. Die
Kolbenstange 23 nimmt den Differentialdruck zwischen dem
Abgabedruck Pd und dem Ansaugdruck Ps an diesen kleinen druckaufnehmenden
Bereichen auf. Die Kolbenstange 23 kann sogar in einem
Kühlkreis
verwendet werden, in welchem ein Kältemittel, wie Kohlendioxid,
verwendet wird, dessen Druck bis zu einer superkritischen Region
angehoben ist.
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Die
Solenoidsektion generiert eine Solenoidkraft, die mit dem Wert des
elektrischen Stroms korrespondiert, der der Solenoidspule 45 zugeführt wird. Der
Schaft 39 beaufschlagt dann den Schaft 32 nach oben.
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Der
Ansaugdruck Ps im Anschluss 35 wird in Spalten aufgebracht,
die zwischen dem fixierten Kern 36 und der Führung 40,
zwischen dem fixierten Kern 36 und dem Schaft 39,
zwischen dem fixierten Kern 36 und dem beweglichen Kern 42,
zwischen der Hülse 37 und
dem beweglichen Kern 42, und zwischen dem beweglichen Kern 42 und
dem Stopper 38 vorgesehen sind, so dass der Innenraum der
Solenoidsektion den Ansaugdruck Ps enthält.
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Solange
der Solenoidspule 45 kein Steuerstrom zugeführt wird,
wird auch keine Solenoidkraft generiert, so dass der bewegliche
Kern 42 von dem fixierten Kern 36 wegbleibt, und
zwar als Folge eines Gleichgewichts zwischen den Federbelastungen
der Federn 29, 44. Das an der Kolbenstange 23 anliegende
Ventilelement 26 ist durch den Differentialdruck zwischen
dem Abgabedruck Pd und dem Ansaugdruck Ps auf dem Ventilsitz 27 aufgesetzt.
Die Kältemittelpassage
von der Druckregelkammer 1 zu der Ansaugkammer 9 ist
verschlossen. Der Druck Pc in der Druckregelkammer 1 wird
nahe zum Abgabedruck Pd gebracht, was in einer minimierten Druckdifferenz
resultiert, die zwischen den voneinander abgewandten Flächen der
Kolben 6 aufgebracht wird. Der Neigungswinkel der Taumelscheibe
wird so gesteuert, dass der Hub der Kolben 6 minimiert
ist. Der Kompressor mit der variablen Verdrängung arbeitet mit der minimalen
operativen Verdrängung.
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Sobald
auf die Solenoidspule 45 ein maximaler Steuerstrom aufgebracht
wird, wird der bewegliche Kern 42 durch den fixierten Kern 36 angezogen und
nach oben bewegt. Das Ventilelement 26 öffnet den Ventilsitz 27 vollständig. Von
der Druckregelkammer 1 über
den Anschluss 30 strömt
eine maximale Menge oder Strömungsrate
des Kältemittels
durch den Ventilsitz 27, die Kommunikationsöffnungen 33, und
den Anschluss 35 in die Ansaugkammer 9. Dies reduziert
den Druck Pc in der Druckregelkammer 1 schart und trägt zu einer
gesteigerten Geschwindigkeit bei, mit welcher der Übergang
zu der maximalen operativen Verdrängung stattfindet.
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Bei
einer normalen Steuerung, und falls ein vorbestimmter Steuerstrom
der Solenoidspule 45 zugeführt wird, wird der bewegliche
Kern 42 durch den fixierten Kern 36 abhängig von
der Stärke
des Steuerstroms angezogen und nach oben bewegt. Dies stellt an
dem Ventilelement 26 einen vorbestimmten Ventilöffnungsgrad
ein. Wenn der Differentialdruck zwischen dem Abgabedruck Pd und
dem Ansaugdruck Ps höher
wird als die durch die Solenoidsektion eingestellte Solenoidkraft,
bewegt sich das Ventilelement 26 in Ventilschließrichtung,
um die Menge oder Strömungsrate
des Kältemittels
abzudrosseln, die von der Druckregelkammer 1 zu der Ansaugkammer 9 strömt, um da durch
eine Verdrängungssteuerung zum
Reduzieren der operativen Verdrängung
auszuführen.
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In
dem Verdrängungs-Steuerventil 11a von 3 kommuniziert
der Anschluss 30 mit der Druckregelkammer 1 und
kommuniziert der Anschluss 35 mit der Ansaugkammer 9.
Diese Anschlüsse 30, 35 sind
demzufolge hier in Vergleich mit 2 umgekehrt
angeordnet. Der Körper 21 und
der fixierte Kern 36 sind als ein Teil ausgebildet. Die
Kommunikationsöffnung 33 zum
Ausgleichen zwischen dem Druck in dem Anschluss 35, der
mit der Ansaugkammer 9 kommuniziert, und dem Druck in der
Solenoidsektion und an einem unteren Ende des Schafts 32 erstreckt sich
durch den fixierten Kern 36.
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Das
Verdrängungs-Steuerventil 11a ist
so konfiguriert, dass das Ventilelement 26 und der Schaft 32,
die als ein Teil ausgebildet sind, in Bezug auf den Druck Pc und
den Ansaugdruck Ps druckausgeglichen sind, und nur durch den Differentialdruck zwischen
dem Abgabedruck Pd und dem Ansaugdruck Ps gesteuert sind. Ein Bereich
zum Fühlen
des Differentialdrucks zwischen dem Abgabedruck Pd und dem Ansaugdruck
Ps wird durch die Kolbenstange 23 mit kleinem Durchmesser
gebildet. Die Kolbenstange 23 ist von der Ventilsektion
separiert und liegt an dem Ventilelement 26 an.
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Das
Verdrängungs-Steuerventil 11a arbeitet ähnlich wie
das Verdrängungs-Steuerventil 11.