BR112021012370A2

BR112021012370A2 - Bomba de refrigeração elétrica helicoidal

Info

Publication number: BR112021012370A2
Application number: BR112021012370-9A
Authority: BR
Inventors: Daniel Döhler; Franz Pawellek
Original assignee: Nidec Gpm Gmbh
Priority date: 2019-02-12
Filing date: 2019-12-09
Publication date: 2021-08-31
Also published as: EP3924624A1; CN113227580B; US20220099088A1; EP3924624B1; CN113227580A; WO2020164776A1; DE102019103470A1

Abstract

a invenção se refere a uma bomba de refrigeração elétrica de fuso helicoidal, que é adequada para transportar um circuito de refrigerante ou outros meios líquidos corrosivos. a bomba de refrigeração elétrica de fuso helicoidal tem um alojamento de fusos (1) com uma câmara de fusos (10) e um alojamento de motor axialmente adjacente (3). a invenção é distinguida pelo fato de que o alojamento do motor (3) compreende uma câmara do motor (30) na qual um motor elétrico de funcionamento a seco (4) é arranjado separado da corrente de fluxo; e o alojamento do motor (3) tem uma porção de transição térmica (31) através da qual a corrente de fluxo flui, cuja porção de transição térmica é arranjada entre a câmara do motor (30) e um limite de componentes do alojamento do motor (3) para o alojamento de fusos (1).

Description

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BOMBA DE REFRIGERAÇÃO ELÉTRICA HELICOIDAL

[001] A presente invenção se refere a uma bomba de refrigeração elétrica do tipo bomba helicoidal para a liberação da circulação de um refrigerante ou similar, em particular para a liberação de meios líquidos corrosivos.

[002] As bombas helicoidais são bombas de deslocamento que permitem altas pressões e alta eficiência volumétrica. Elas não oferecem ajuste da geometria de uma maneira independente da velocidade, mas compreendem um mecanismo de êmbolo rotativo robusto que não é sensível a incrustações e que opera sem elementos delicados, tais como válvulas de bloqueio ou similares. Consequentemente, as bombas helicoidais de acionamento mecânico até agora tem sido usadas predominantemente em aplicações de grande escala como, por exemplo, bombas de petróleo em instalações estacionárias ou motores de navios nos quais elas funcionam com pontos de operação relativamente constantes.

[003] Na área de bombas de fornecimento de combustíveis de veículos, as bombas helicoidais menores de acionamento elétrico se tornaram conhecidas, permitindo pressões mais altas que as bombas centrífugas. Elas são instaladas em um arranjo submerso no tanque dos veículos e proveem uma alta pressão de entrada a montante da bomba de alta pressão ou da bomba de injeção no caminho do combustível. O motor elétrico dessas bombas de fornecimento de combustíveis é projetado como um motor elétrico de funcionamento úmido sem um recipiente separador e, portanto, tanto o rotor quanto o estator ficam em contato com o combustível. A temperatura do combustível fornecido a partir do tanque geralmente corresponde à temperatura ambiente do veículo. Como resultado, o motor, que esquenta devido à dissipação de energia elétrica, é facilmente resfriado nessas bomba de fornecimento de combustíveis.

[004] Assim, o documento dos Estados Unidos 2018/0216614 A1 descreve uma bomba helicoidal que é provida como uma bomba de

2 / 11 combustível. Uma tampa com uma saída axial é fixada a um alojamento da bomba helicoidal. O motor elétrico é acomodado dentro de uma câmara de saída da tampa e o combustível flui por ela antes de passar pela saída.

[005] O documento DE 10 2015 101 443 B3 descreve uma bomba de combustível com um alojamento no qual um motor de acionamento elétrico é acoplado a uma bomba helicoidal. O combustível flui através do motor de acionamento antes de passar pela saída do lado da pressão.

[006] O documento WO 2014/138519 A1 descreve uma bomba elétrica de líquidos do tipo helicoidal. O líquido que flui através de uma entrada e uma saída também circunda o motor. O líquido mencionado se refere a um combustível. Um plano de flanges, que é mostrado na construção ilustrada entre uma parte do alojamento do lado do motor e uma parte do alojamento do lado da bomba, se estende entre o motor e uma saída do lado da bomba.

[007] O documento DE 10 2017 210 771 A1 descreve uma bomba helicoidal de acionamento elétrico como um conjunto de fornecimento de combustível. Um alojamento da bomba e um motor elétrico são acomodados em uma carcaça. Na modalidade ilustrada, que não compreende um recipiente separador no estator do motor elétrico, os componentes elétricos do motor ficam em contato direto com o combustível dentro de uma guia de saída em um lado da pressão da câmara de fusos.

[008] No entanto, as bombas mencionadas acima não podem ser transferidas para uma aplicação como bomba de água elétrica, em particular não como bomba de refrigeração elétrica. Um meio líquido a ser fornecido, tal como um refrigerante, danificaria corrosivamente os componentes expostos do motor elétrico, em particular os enrolamentos da bobina do estator.

[009] O documento dos Estados Unidos 6.371.744 B1 descreve uma bomba de vácuo elétrica do tipo helicoidal. Os fusos helicoidais são acionados por um motor elétrico que está arranjado em um alojamento separado.

[0010] Independentemente de modificações específicas entre uma

3 / 11 bomba helicoidal para gases e uma bomba helicoidal para líquidos, a dita bomba de vácuo não poderia ser transferida para uma aplicação como bomba de refrigeração elétrica. No caso do arranjo ilustrado, o resfriamento suficiente de um motor elétrico de funcionamento a seco não pode ser garantido. Em uma circulação de refrigerante pressurizada, uma temperatura alvo para um refrigerante pode estar na proximidade da temperatura de ebulição do refrigerante. Neste caso, em funcionamento contínuo, podem ocorrer danos de superaquecimento aos componentes elétricos ou eletrônicos.

[0011] Com base nas bombas elétricas helicoidais conhecidas da técnica anterior, que não são adequadas para uma aplicação como uma bomba de refrigeração, é um objetivo da presente invenção prover uma bomba elétrica helicoidal que seja adequada para liberar meios líquidos corrosivos e que proveja o resfriamento do motor elétrico.

[0012] Outro aspecto parcial do objetivo é prover adicionalmente uma solução técnica correspondente de modo que ela também possa ser produzida a baixo custo em grandes quantidades por produção em massa.

[0013] O objetivo é alcançado através dos recursos da reivindicação 1. A bomba de refrigeração elétrica helicoidal de acordo com a invenção para liberar uma circulação de refrigerante é distinguida em particular pelo fato de que um alojamento de motor compreende uma câmara de motor na qual um motor elétrico de funcionamento a seco é arranjado de tal modo que é delimitado em relação ao fluxo de liberação; e pelo fato de que o alojamento de motor compreende uma seção de transferência de calor através da qual o fluxo de liberação flui, arranjada entre a câmara de motor e um limite de componentes entre o alojamento de motor e um alojamento de fusos.

[0014] Portanto, pela primeira vez, a invenção provê uma bomba helicoidal como uma bomba de refrigeração.

[0015] Além disso, pela primeira vez, a invenção provê uma bomba helicoidal como uma bomba de líquidos elétrica que é acionada por um motor

4 / 11 elétrico de funcionamento a seco.

[0016] Além disso, pela primeira vez, a invenção provê uma bomba helicoidal como uma bomba de líquidos elétrica na qual é provida uma transferência de calor assistida por convecção a partir de uma câmara de motor a seco para um fluxo de liberação do meio líquido a ser liberado.

[0017] A invenção permite que uma bomba de refrigeração seja produzida com um alto nível de densidade de potência. A bomba helicoidal provê a alta pressão de liberação de uma bomba de deslocamento, mas com pulsação relativamente baixa, semelhante a uma bomba centrífuga. Em relação a um motor elétrico, a bomba helicoidal permite instalações e aplicações universais. A bomba de refrigeração elétrica helicoidal de acordo com a invenção é adequada, por exemplo, para uso em veículos elétricos, em particular veículos elétricos a bateria, nos quais nenhuma fonte de acionamento mecânico é provida, e uma estrutura ramificada de dutos de resfriamento finos ou capilares em um módulo de bateria ou um motor de tração requer uma alta pressão de liberação.

[0018] A partir de um ponto de vista construtivo, a invenção é baseada em um princípio de alterar a posição axial de um limite de componentes entre um alojamento de motor e um alojamento de fusos a partir de uma posição funcional convencional ainda na direção da câmara de fusos. Dessa forma, por um lado, é provida uma região protegida do líquido do fluxo de liberação e assim o motor elétrico não fica exposto a influências corrosivas. Por outro lado, devido à seção de transferência de calor, é provida uma região que transporta o líquido no alojamento do motor, o que aumenta a superfície de contato térmico interna com o refrigerante. O calor residual a partir da dissipação de energia elétrica pode ser efetivamente afastado da bomba através de uma troca de calor na superfície de contato térmico, assim produzida, do alojamento do motor condutor de calor e da convecção do fluxo de liberação, mesmo quando houver uma pequena diferença de temperatura entre o motor elétrico e o refrigerante.

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[0019] O aumento da superfície de contato térmico é obtido sem um nível maior de complexidade na estrutura, como na forma de estruturas que aumentam a superfície, de meios de resistência ao fluxo e similares. O alojamento do motor é projetado como uma peça fundida durante o desenvolvimento do produto. Como resultado, o limite de componentes alterado pode ser produzido na construção da bomba de acordo com a invenção sem despesas ou aumento consideráveis nos custos de fabricação. Devido à alteração do limite de componentes do alojamento de fusos de uma maneira complementar, não há substancialmente aumento desvantajoso nas dimensões gerais da bomba, apesar de haver uma maior dimensão axial para o alojamento do motor.

[0020] As perdas de fluxo na bomba são consideravelmente reduzidas em comparação com uma construção de bomba conhecida com um acionamento elétrico de funcionamento úmido que é exposta ao fluxo de liberação.

[0021] A alteração acima mencionada do limite de componentes leva a uma seção transversal da câmara de fusos aberta na extremidade do alojamento de fusos. Assim, os fusos helicoidais podem simplesmente ser inseridos através da extremidade aberta da câmara de fusos durante a montagem da bomba.

[0022] Desenvolvimentos vantajosos da invenção são providos nas reivindicações dependentes.

[0023] De acordo com um aspecto da invenção, a seção de transferência de calor pode compreender adicionalmente a saída da bomba. Dessa forma, a seção transversal de todo o fluxo de liberação pode ser canalizada para além da câmara do motor. A superfície interna da saída da bomba na seção de transferência de calor aumenta ainda mais a superfície de contato térmico do alojamento do motor condutor de calor com o fluxo de liberação em uma extensão considerável.

[0024] De acordo com um aspecto da invenção, a seção de

6 / 11 transferência de calor pode compreender uma câmara de fluxo de liberação que produz uma conexão entre a delimitação frontal da câmara do motor e a câmara de fusos. Por esse projeto, a porção de transferência de calor do alojamento do motor condutor de calor entre as fontes de calor elétricas na câmara do motor e o fluxo de liberação é ainda mais reduzida. Além disso, a superfície interna da câmara de fluxo de liberação na seção de transferência de calor aumenta ainda mais a superfície de contato térmico do alojamento do motor condutor de calor com o fluxo de liberação.

[0025] De acordo com um aspecto da invenção, a seção de transferência de calor pode compreender um apoio de mancal para um mancal de eixo que é arranjado entre o motor elétrico e os fusos helicoidais. A superfície do apoio de mancal na seção de transferência de calor por sua vez aumenta a superfície de contato térmico do alojamento do motor condutor de calor com o fluxo de liberação. Além disso, a integração de um mancal de eixo na região axial da seção de transferência de calor é favorável a uma construção compacta para a bomba.

[0026] De acordo com um aspecto da invenção, um sistema eletrônico para o motor elétrico também pode ser arranjado na câmara do motor. Uma fonte de calor adicional é, portanto, incorporada no resfriamento inventivo do motor elétrico. Dessa forma, a dissipação de potência a partir da eletrônica de potência também é descarregada através do fluxo de liberação.

[0027] De acordo com um aspecto da invenção, um estator e/ou um sistema eletrônico do motor elétrico no alojamento do motor pode ficar em contato com uma delimitação frontal da câmara do motor. Portanto, é garantida a menor porção de transferência de calor possível do alojamento do motor condutor de calor entre as fontes de calor elétricas na câmara do motor e o fluxo de liberação.

[0028] De acordo com um aspecto da invenção, a seção de transferência de calor pode ser formada integralmente com o alojamento do

7 / 11 motor. Dessa forma, garante-se uma porção de transferência de calor otimizada sem superfícies ou juntas limitadoras no material e os menores custos de produção possíveis para o alojamento do motor.

[0029] De acordo com um aspecto da invenção, o alojamento de fusos pode ser formado como uma peça única. Como explicado acima, a alteração do limite de componentes entre o alojamento do motor e o alojamento de fusos produz uma seção transversal aberta para a câmara de fusos. Dessa forma, tanto para a montagem da bomba quanto para a produção do corpo moldado do alojamento de fusos, não há a necessidade de dividir o alojamento em duas metades. O projeto de uma única peça do alojamento de fusos garante um contorno interno livre de juntas para a câmara de fusos sem a necessidade de pós-processamento. O contorno interno da câmara de fusos pode ser produzido de maneira simples e precisa através de furos.

[0030] De acordo com um aspecto da invenção, o alojamento de fusos pode compreender a entrada da bomba. O alojamento de fusos é projetado como uma peça fundida durante o desenvolvimento do produto. Consequentemente, através da integração da entrada da bomba, o número de componentes da construção da bomba de acordo com a invenção pode ser reduzido sem despesas consideráveis.

[0031] De acordo com um aspecto da invenção, uma junta de flanges que consiste em uma seção de flanges do alojamento do motor e uma seção de flanges do alojamento de fusos podem ser formadas no limite de componentes entre o alojamento do motor e o alojamento de fusos. A junta de flanges permite uma conexão helicoidal preferida para a montagem dos dois componentes de alojamento, enquanto um plano de flanges correspondente permite tipos de vedação diferentes.

[0032] A invenção será explicada a seguir com a ajuda de uma modalidade e com referência ao desenho anexo, a figura 1 mostra uma vista transversal esquemática de uma

8 / 11 bomba de refrigeração helicoidal de acordo com uma modalidade da invenção.

[0033] Em termos da presente descrição, o termo ‘bomba helicoidal’ é interpretado como bombas de êmbolo rotativo inclinado com um passo de rosca para o deslocamento do meio a ser liberado. Esses tipos de bomba geralmente compreendem um fuso helicoidal acionado 2a e pelo menos um fuso helicoidal adicional 2b que está em movimento acoplado com o mesmo por meio de engate dentado.

[0034] Na modalidade da ilustração esquemática da figura 1, em um alojamento de fusos 1, um fuso helicoidal acionado 2a e um fuso helicoidal 2b em movimento acoplado são montados de uma maneira rotativa em uma câmara de fusos 10 do alojamento de fusos 1. A câmara de fusos 10 tem um contorno em seção transversal na forma de um alojamento em forma de oito, ou seja, ela é formada por dois furos no alojamento da bomba 1 com raios sobrepostos a fim de garantir o engate dos fusos helicoidais 2a, 2b. O fuso helicoidal acionado 2a é conectado a um motor elétrico 4.

[0035] Um lado de pressão da câmara de fusos 10 que se comunica com uma saída da bomba 13 na forma de uma conexão de pressão está localizado no lado do acionamento dos fusos helicoidais 2a, 2b. Um lado de sucção da câmara de fusos 10 está localizado no outro lado dos fusos helicoidais 2a, 2b oposto ao motor elétrico 4. O lado de sucção da câmara de fusos 10 se comunica com uma entrada da bomba 11 na forma de uma conexão de sucção. Em relação à direção de liberação da bomba helicoidal, um meio líquido a ser liberado ou um refrigerante é puxado para dentro da câmara de fusos 10 a partir de uma circulação de refrigerante através da entrada da bomba 11 no lado da sucção. Um movimento rotativo de perfis helicoidais engatados dos fusos helicoidais rotativos 2a, 2b gera uma pressão negativa no lado de sucção da câmara de fusos 10 e uma pressão positiva no lado de pressão oposto da câmara de fusos

10. O meio a ser liberado é liberado por deslocamento contínuo ao longo de um passo helicoidal dos perfis helicoidais engatados e ejetado da câmara de fusos

9 / 11 10 através da saída da bomba 13.

[0036] Um alojamento do motor 3 se une ao alojamento de fusos no lado de pressão da câmara de fusos 10. O alojamento do motor 3 compreende uma seção de flanges 35 que é formada para se encaixar com uma seção de flanges 15 do alojamento de fusos 1. A junta de flanges é vedada por um selo vedante. Uma câmara do motor separada 30 é formada no alojamento do motor 3, em que a câmara do motor elétrico de funcionamento a seco 4 e um sistema eletrônico, em particular eletrônica de potência (não mostrado) para comutar a energia elétrica no motor elétrico são acomodados. Uma extremidade aberta da câmara do motor 30 é fechada por uma tampa do motor (não mostrada). Um apoio de mancal em forma de colar 32 com uma abertura de passagem em uma delimitação frontal da câmara do motor 30 é formado no alojamento do motor

3. Um mancal de eixo comum 23 do motor elétrico 4 e do fuso helicoidal acionado 2a é encaixado no apoio de mancal 32. A montante do mancal de eixo 23, um selo vedante de eixo 34 é encaixado no apoio de mancal 32 e veda a câmara do motor 30 contra a entrada de líquidos.

[0037] O motor elétrico de funcionamento a seco 4 é do tipo rotor interno com um rotor interno 42 e um estator externo 41. O rotor 42 é acoplado ao fuso helicoidal acionado 2a. O estator 41 compreende bobinas de campo que são acionadas pela eletrônica de potência e alimentadas com energia elétrica. O estator 41 do motor elétrico 4 fica em contato térmico com uma superfície periférica interna e com uma superfície de limite frontal da câmara do motor 30 e, assim, o calor residual das bobinas de campo do estator 41 é transferido para o alojamento do motor 3.

[0038] O alojamento do motor 3 consiste em um material metálico com um bom nível de condutividade de calor, tal como uma liga de alumínio fundido, e é formado como uma peça única fundida. Uma seção de transferência de calor 31 do alojamento do motor 3 se estende em uma seção axial entre a câmara do motor 30 e a seção de flanges 35. Como um componente

10 / 11 integral da seção de transferência de calor 31, a saída da bomba 13 na forma de uma conexão de pressão de descarga radial é arranjada entre a câmara do motor 30 e a câmara de fusos 10. Uma câmara de fluxo de liberação 33 é formada dentro da seção de transferência de calor 31 e tem o meio líquido a ser liberado fluindo através dela. A câmara de fluxo de liberação 33 produz uma conexão para o fluxo de liberação da bomba entre o lado de pressão da câmara de fusos 10 e a saída da bomba 13. A câmara de fluxo de liberação 33 circunda o apoio do mancal em forma de colar 32 e transporta o meio líquido pressurizado a ser liberado para a delimitação frontal da câmara do motor 30 com a qual o estator 41 mantém contato térmico.

[0039] A seção de transferência de calor 31 constitui a região do volume do material condutor de calor no alojamento do motor 3 que está definitivamente envolvida na dissipação do calor residual a partir da câmara do motor 30 para o fluxo de liberação. A superfície interna da saída da bomba 13, a superfície interna da câmara de fluxo de liberação 33 e a superfície do apoio de mancal 32 contribuem cada uma para o aumento da superfície de contato térmico entre a câmara do motor 30 e o fluxo de liberação dentro da seção de transferência de calor 31.

[0040] A transferência de calor otimizada limita qualquer diferença de temperatura entre um refrigerante e a câmara do motor 30. Consequentemente, mesmo sob alta carga com uma alta temperatura de funcionamento em uma circulação de refrigerante, uma temperatura crítica dos componentes do motor elétrico, no qual danos de superaquecimento podem ocorrer nos isolamentos de bobina do estator 41 ou no sistema eletrônico, é evitada de maneira confiável.

[0041] Lista de números de referência: 1 Alojamento de fusos 2a Fuso helicoidal acionado 2b Fuso helicoidal em movimento acoplado 3 Alojamento do motor

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4 Motor elétrico 10 Câmara de fusos 11 Entrada da bomba 13 Saída da bomba 15 Seção de flanges do alojamento de fusos 23 Mancal do eixo 30 Câmara do motor 31 Seção de transferência de calor 32 Apoio do mancal 33 Câmara de fluxo de liberação 34 Selo vedante do eixo 35 Seção de flanges do alojamento do motor 41 Estator 42 Rotor

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Bomba de refrigeração elétrica helicoidal para liberar uma circulação de refrigerante que compreende: um alojamento de fusos (1) que tem uma câmara de fusos (10) na qual pelo menos dois fusos helicoidais (2a, 2b) são acomodados de maneira rotativa; uma entrada da bomba (11) e uma saída da bomba (13) para guiar um fluxo de liberação através da câmara de fusos (10); um alojamento do motor (3) que é arranjado axialmente adjacente ao alojamento de fusos (1); caracterizada pelo fato de que o alojamento do motor (3) inclui uma câmara do motor (30) na qual um motor elétrico de funcionamento a seco (4) é arranjado de tal modo que ele é delimitado em relação ao fluxo de liberação; e o alojamento do motor (3) compreende uma seção de transferência de calor (31), através da qual o fluxo de liberação flui, arranjada entre a câmara do motor (30) e um limite de componentes entre o alojamento do motor (3) e o alojamento de fusos (1).

2. Bomba de refrigeração elétrica helicoidal de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a seção de transferência de calor (31) inclui adicionalmente a saída da bomba (13).

3. Bomba de refrigeração elétrica helicoidal de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada pelo fato de que a seção de transferência de calor (31) inclui uma câmara de fluxo de liberação (33) que estabelece uma conexão entre uma delimitação frontal da câmara do motor (30) e a câmara de fusos (10).

4. Bomba de refrigeração elétrica helicoidal de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada pelo fato de que a seção de transferência de calor (31) inclui um apoio de mancal (32) para um mancal de eixo (23) arranjado entre o motor elétrico (4) e os fusos helicoidais (2a, 2b).

5. Bomba de refrigeração elétrica helicoidal de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada pelo fato de que um sistema eletrônico para o motor elétrico (4) também é arranjado dentro da câmara do motor (30).

6. Bomba de refrigeração elétrica helicoidal de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada pelo fato de que um estator (41) e/ou um sistema eletrônico do motor elétrico (4) está em contato com uma delimitação frontal da câmara do motor (30) dentro do alojamento do motor (3).

7. Bomba de refrigeração elétrica helicoidal de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada pelo fato de que a seção de transferência de calor (31) é formada integralmente com o alojamento do motor (3).

8. Bomba de refrigeração elétrica helicoidal de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada pelo fato de que o alojamento de fusos (1) é formado como uma peça única.

9. Bomba de refrigeração elétrica helicoidal de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada pelo fato de que no limite de componentes entre o alojamento do motor (3) e o alojamento de fusos (1), uma junta de flanges é formada por uma seção de flanges (35) do alojamento do motor (3) e uma seção de flanges (15) do alojamento de fusos (1).