DE102011000385B4

DE102011000385B4 - Kompakte Struktur für einen Elektro-Kompressor

Info

Publication number: DE102011000385B4
Application number: DE102011000385.1A
Authority: DE
Inventors: Michael Gregory Theodore Jr.; Kanwal Bhatia; Scott Wenzel; Brian Robert Kelm; Timothy Raymond VanBritson
Original assignee: Halla Visteon Climate Control Corp
Current assignee: Hanon Systems Corp
Priority date: 2010-02-16
Filing date: 2011-01-28
Publication date: 2016-06-02
Anticipated expiration: 2031-01-29
Also published as: DE102011000385A1; US8974197B2; US20110200466A1

Abstract

Kompressormechanismus, umfassend: ein Vordergehäuse; ein Mittelgehäuse und ein rückwärtiges Gehäuse, wobei das Mittelgehäuse einen integralen Kompressor-Lagerträger und eine Kompressorsockelfläche enthält, die das Gehäuse in zwei auskragende Wandteile unterteilen dadurch gekennzeichnet, dass das Mittelgehäuse, eine integrale zentrale Kompressorträgerstruktur umfasst, wobei die zentrale Trägerstruktur eine Wellendichtung enthält, die eine Druckdifferenz zwischen einem Kompressor- und Motorteil aufrecht erhält, wobei die Wellendichtung radial durch das Mittelgehäuse und axial zwischen dem Gehäuse und einem Lager an Ort und Stelle gehalten wird und wobei der Lagerträger eine Gegendruckkammer enthält, die eine umkreisende Spirale trägt.

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
1. Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine kompakte Struktur für einen Elektro-Kompressor, und insbesondere eine kompakte Struktur für einen Elektro-Kompressor, der Geräusche, Vibrationen und Rauheit (NVH) reduziert.
2. Diskussion
Mit der ständig wachsenden Notwendigkeit, Brennstoffverbrauch und Emissionen zu reduzieren, streben Firmen stetig danach, alternative Brennstoff- und Energiequellen zu finden. Ein solches Bestreben nach alternativen Brennstoffen und alternativer Energie hat bisher zu Fahrzeugen geführt, die entweder teilweise oder vollständig elektrische Motoren einsetzen. Eine steigende Anzahl von Kraftfahrzeugen werden derzeit z. B. als Brennstoff-/Elektro-Hybrid-, Plug-In-Hybridfahrzeuge oder vollständig elektrische Fahrzeuge entwickelt. Bei der Elektrisierung dieser Fahrzeuge müssen typische Zubehörteile, wie z. B. die Klimaanlage, mit Elektroantrieb gebaut werden, sodass, falls sich der Motor eines Hybrid-Fahrzeugs ausschaltet, oder falls das Fahrzeug über keinen Motor verfügt, eine angenehme Temperatur im Fahrzeuginnenraum beibehalten werden kann.
Eine der durch Elektro-Kompressoren gestellten Herausforderungen ist die Aufgabe, den Kompressor komplett mit einem Elektromotor in eine Baugruppe einzubauen, die einem typischen riemengetriebenen Zubehörteil gleicht. Wird dies nicht erfüllt, kann eine Neuentwicklung des Antriebsstrangs oder der Fahrzeugarchitektur notwendig werden, was zu erheblichen Kosten und einer zunehmenden Komplexizität des Designs führt. Dies sollte so gut wie möglich vermieden werden.
Eine zweite Herausforderung, die durch Elektro-Kompressoren gestellt wird, liegt darin, dass die Merkmale von Geräusch, Vibration und Rauheit (NVH) besser sein müssen als die der herkömmlichen motorgetriebenen Zubehörteile. Typischerweise übertönt das Motorgeräusch eines Fahrzeugs das Geräusch des Kompressors. Da der Kompressor in Hybrid- und Elektrofahrzeugen ohne Motorbetrieb läuft, besteht wenig oder gar kein Motorgeräusch, welches das Geräusch des Kompressors überdecken kann. Es ist deshalb bevorzugt, eine weitere Lösung zu finden, welche das Geräusch des Kompressors überdeckt oder verhindert, welches andernfalls die Fahrzeuginsassen belästigen würde.
Bei herkömmlichen Hybrid- und Elektrofahrzeugen werden normalerweise Elektro-Kompressoren eingesetzt, um das Kühlen des Fahrgastraums herbeizuführen. Da die Baugruppengröße des Kompressors klein sein muss, um in das Fahrzeug zu passen, werden die Kompressoren normalerweise mit einem bürstenlosen Gleichstrommotor ausgerüstet, der den Kompressor antreibt. Der bürstenlose Motor weist einen Wechselrichter auf, der den Gleichstrom von der Batterie in einen Wechselstrom umwandelt, der den rotierenden Motor antreibt. Es ist sehr schwierig, den Motor, Wechselrichter und Kompressor in eine Baugruppe einzubauen, die genauso groß ist, wie ein riemengetriebener Kompressor. Deshalb sind die meisten in Fahrzeugen eingesetzten Elektro-Kompressoren größer als eine riemengetriebene Version. Dies hat zur Folge, dass die Antriebsmaschine oder das Fahrzeuglayout verändert werden müssen, was erhebliche Kosten und eine höhere Komplexizität des Fahrzeugbaus mit sich bringt. Weiterhin neigen typische Elektro-Kompressoren für Fahrzeuge dazu, geräuschintensiv zu sein. Um diese zu beheben, werden Kompressoren manchmal mit einer zusätzlichen Abschirmung oder Geräuschdämmdecken ausgestattet, was wiederum Komplexität und Kosten erhöht.
Im Stand der Technik sind Scrollverdichter beispielsweise aus der DE 698 16 911 T2 , der DE 44 40 043 A1 und der US 6 254 360 B1 bekannt.
Aus der US 6 082 974 A geht ein flüssigkeitsgekühlter kompakter Verdichter hervor, der eine integrale, zentrale Kompressorträgerstruktur und ein Mittelgehäuse aufweist.
Die WO 2008/118 162 A1 offenbart den Aufbau von einem Scrollverdichter.
Schließlich geht aus der EP 1 870 599 A1 ein Scrollverdichter mit einem Aufbau aus Vordergehäuse, Mittelgehäuse und rückwärtigem Gehäuse hervor.
Wie zuvor erörtert, enthält ein Elektro-Kompressor 5 normalerweise ein rohr- oder topfförmiges Gehäuse 10, das den Motor- und Kompressormechanismus auf gestapelte Weise im Innern aufweist. Dieses Konstruktionsverfahren ist in 1 dargestellt. In der Figur wird der Kompressormechanismus über eine Kante 15a, 15b im topfförmigen Gehäuse 10 gehalten. Der Kompressormechanismus erzeugt eine Vibration, während er sich in Bewegung befindet. Aufgrund der Tatsache, dass der Kompressor und das Gehäuse nicht starr miteinander verbunden sind, erhöht sich die Vibration, da die Steifheit des Kompressorträgers nicht sehr groß ist. Aufgrund dessen erhöht sich die NVH. Weiterhin ist das topfförmige Gehäuse biegeanfällig, was die durch den Kompressor erzeugte Vibration wegen der glockenähnlichen Natur 20 des Gehäuses wie in 2 dargestellt verstärkt. Wie in 2 dargestellt, hält die glockenähnliche Natur des Gehäuses 20 den Kompressor nicht auf starre Weise, was große Ausschläge an 25 verursacht. Zusätzlich ist der auskragende Teil des glockenförmigen Gehäuses lang, was die Steifheit noch weiter reduziert.
Ausgehend vom angeführten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde einen Kompressormechanismus zu schaffen, der konstruktiv derart optimiert ist, Geräusche, Vibrationen und Rauheit zu reduzieren.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch einen Kompressormechanismus mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst, die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zur Bereitstellung einer kompakten Struktur für einen Elektro-Motor. Insbesondere stellt das System und Verfahren eine kompakte Struktur für einen Elektro-Motor in der Karosserie eines Fahrzeugs bereit. Auf diese Weise konstruiert stellt das System und das Verfahren eine kompakte Struktur für einen Elektro-Kompressor mit der Fähigkeit bereit, Geräusch, Vibration und Rauheit (NVH) zu reduzieren.
Gemäß der Erfindung wird ein Kompressormechanismus mit einem Vordergehäuse, Mittelgehäuse und rückwärtigem Gehäuse dargestellt. Das Mittelgehäuse enthält einen integrierten Kompressorlagerträger und eine Kompressorsockelfläche, die das Gehäuse in auskragende Wandteile unterteilen. Das auf diese Weise konstruierte System und Verfahren stellt eine kompakte Struktur für einen Elektro-Kompressor mit der Fähigkeit bereit, Geräusch, Vibration und Rauheit zu reduzieren.
Bei einem Aspekt der Erfindung enthält der Kompressormechanismus einen Elektromotorhohlraum und einen Kompressorhohlraum, wobei der Elektromotorhohlraum im Durchmesser größer ist als der Kompressorhohlraum.
Bei einem weiteren Aspekt der Erfindung enthält der Kompressormechanismus eine zentrale Stützstruktur, wobei die Kappen des Vordergehäuses und rückwärtigen Gehäuses am Mittelgehäuse befestigt sind.
Bei einem weiteren Aspekt der Erfindung weisen das Mittelgehäuse und der integrale Kompressorträger jeweils eine entsprechende Oberfläche auf, die maschinell auf eine bestimmte Toleranz in Bezug auf jede der betroffenen Flächen bearbeitet ist, um eine optimale Ausrichtung jeder Kompressor-Mechanismuskomponente sicherzustellen.
Bei einem weiteren Aspekt der Erfindung enthalten das Vordergehäuse und das Mittelgehäuse jeweils ein die Welle tragendes Lager und eine Schnittstelle, die eine Presspassung zwischen dem Vordergehäuse und dem Mittelgehäuse ermöglicht, um die Ausrichtung des Lagers zu erleichtern.
Bei einer weiteren Ausführungsform gemäß der Erfindung gibt es einen Kompressormechanismus, einschließlich einem Mittelgehäuse mit einer integralen zentralen Kompressorträgerstruktur, wobei die zentrale Trägerstruktur einen integralen, eng passenden Ringspalt zu einer Antriebswelle hin enthält, der zwischen einem Kompressorteil und Motorteil positioniert ist, an dem eine Druckdifferenz vorliegt.
Gemäß der Erfindung gibt es ein Mittelgehäuse, einschließlich einer integralen zentralen Kompressorträgerstruktur, wobei die zentrale Trägerstruktur eine Wellendichtung enthält, die eine Druckdifferenz zwischen einem Kompressor- und Motorteil aufrecht erhält, wobei die Wellendichtung radial durch das Mittelgehäuse und axial zwischen dem Gehäuse und einem Lager an Ort und Stelle gehalten wird.
Bei einem Aspekt der Erfindung ist das Lager, das die Wellendichtung hält, ferner über einen Steckvorgang an Ort und Stelle gesichert.
Bei einem weiteren Aspekt der Erfindung gibt es ein Mittelgehäuse, einschließlich einer integralen zentralen Kompressorträgerstruktur, wobei die zentrale Trägerstruktur eine Wellendichtung enthält, die eine Druckdifferenz zwischen dem Kompressor- und Motorteil aufrecht erhält, wobei die Wellendichtung radial durch das Mittelgehäuse und axial über eine Trägerflächenkante am Mittelgehäuse und einem Steckvorgang an Ort und Stelle gehalten wird.
Bei einem Aspekt der Erfindung enthält der Kompressormechanismus ein weiteres Gehäuse, das derart konfiguriert ist, um ein im Innern einer Motorseite des Kompressormechanismus platziertes, Geräusch, Vibration und Rauheit reduzierendes Element aufzunehmen.
Bei einem weiteren Aspekt der Erfindung sind die Vorder- und rückwärtigen Gehäuse mit einem einzigen Befestigungssatz zusammengeklemmt.
Bei einem weiteren Aspekt der Erfindung sind die Befestigungsteile in das Vordergehäuse geschraubt.
Bei einem weiteren Aspekt der Erfindung sind die Befestigungsteile in das rückwärtige Gehäuse geschraubt.
Gemäß der Erfindung enthält der Lagerträger eine Gegendruckkammer, die eine umkreisende Spirale trägt.
Bei einem weiteren Aspekt der Erfindung enthält das rückwärtige Gehäuse einen die Auslasspulsation ablenkenden Mechanismus, um die abgeleitete Flüssigkeit im rückwärtigen Gehäuse zur Expansion zu einem maximalen Volumen zu bringen.
Bei einer weiteren Ausführungsform gemäß der Erfindung weist der die Auslasspulsation ablenkende Mechanismus eine Hufeisenform auf.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird durch die nachfolgende detaillierte Beschreibung, die angehängten Ansprüche und beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
1 zeigt eine Kompressorstruktur mit einem rohrförmigen Gehäuse gemäß dem Stand der Technik.
2 zeigt eine Kompressorstruktur mit einem glockenförmigen Gehäuse gemäß dem Stand der Technik.
3 zeigt eine Kompressorstruktur gemäß einer Ausführungsform gemäß der Erfindung.
4 zeigt eine Kompressorstruktur gemäß einer anderen Ausführungsform gemäß der Erfindung.
5 zeigt eine Kompressorstruktur gemäß einer weiteren Ausführungsform gemäß der Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
System und Verfahren zur Bereitstellung eines Kompressormechanismus mit einem Vordergehäuse, Mittelgehäuse und rückwärtigen Gehäuse. Das Mittelgehäuse enthält einen integrierten Kompressorlagerträger und eine Kompressorsockelfläche, welche das Gehäuse in auskragende Wandabschnitte unterteilen. Das auf diese Weise konstruierte System und Verfahren stellen eine kompakte Struktur für einen Elektro-Kompressor mit der Fähigkeit bereit, Geräusch, Vibration und Rauheit zu reduzieren.
Ein Elektro-Kompressor, der dieselbe Größe wie ein herkömmlicher riemengetriebener Kompressor aufweist, mit ausgezeichneten NVH-Merkmalen, wobei ein neues Kompressordesign notwendig ist. Die Schlüsselmerkmale eines solchen Designs schließen ein, sind jedoch nicht beschränkt auf: 1) ein dreiteiliges Gehäusedesign mit einem angeformten Rahmen in der Nähe der Mitte; 2) ultrasteife Gehäuse; 3) ein kompaktes Druckträgerelement für den Kompressor; 4) Präzisionslagerausrichtung; und 5) einen Inline-Wechselrichter, der nicht von der allgemeinen zylindrischen Form des Kompressors abweicht.
3 zeigt ein beispielhaftes Design eines Kompressors gemäß den oben beschriebenen Merkmalen. Zur Implementierung des beschriebenen Kompressors 25 reicht es nicht aus, lediglich einen Zusatzprozess bereitzustellen, nämlich: Wechselrichter + Elektromotor + Kompressor = Langer Kompressor. Ein solcher langer Kompressor ist keine akzeptable Lösung; es ist deshalb wünschenswert, die oben genannten Merkmale zu implementieren, um die Größe des bisher langen Elektro-Kompressors auf die Größe eines riemenbetriebene Kompressors zu reduzieren. Um sicherzustellen, dass der Elektro-Kompressor ausgezeichnete NVH-Merkmale aufweist, muss das Design des gesamten Layouts optimiert werden.
Ein Elektro-Kompressordesign, das sowohl kompakt ist als auch ausgezeichnete NVH-Ergebnisse aufweist, wird durch Reduktion der Gesamtanzahl der Teile bei der Konstruktion des Kompressors erhalten. Dies ist jedoch bei herkömmlichen Strukturen schwierig, da jedes Teil eine ausreichende Dicke erfordert, um den Belastungen standzuhalten und eine ordnungsgemäße Steifheit aufrecht zu erhalten. Während diese Teile zusammengefügt werden, erhöht sich die Gesamtgröße des Bausatzes mit jedem Teil. Wenn der Bausatz größer wird, nimmt die Gesamtsteifheit ab. Da keines der Teile perfekt maschinell bearbeitet werden kann, trägt weiterhin jedes zusätzliche Teil im Stapel zu einer größeren Fehlausrichtung bei. Alle diese Merkmale führen zu Designs, die typischerweise an derzeitigen Fahrzeugen bestehen, die sowohl groß als auch nicht steif sind, was jeweils für die Baugruppe und die NVH nachteilig ist.
Die Struktur des in der Erfindung offenbarten Elektro-Kompressors erfüllt die Aufgabe eines kompakten Designs mit einer akzeptablen NVH. Dies wird durch das Kombinieren von normalerweise einzelnen Teilen und das Umformen dieser in eine einzelne zusammenhängende Einheit, so gut es möglich ist, ermöglicht. Dies führt insgesamt zu einem Design, das: 1) kompakter ist, da die kombinierten strukturellen Flansche reduziert sind und somit die Gesamtlänge verkürzt wird; 2) aufgrund eines Fehlens der Schnittstellen, die normalerweise eine relative Bewegung eines Teils zu einem anderen verursacht, eine zusätzliche Steifheit aufweist; und 3) eine bessere Ausrichtung der Teile aufweist, was durch die reduzierte Anzahl der gestapelten Schnittstellen und die Fähigkeit, kritische Toleranzbereiche an benachbarten Teilen in einem einzigen Werkstückaufbau maschinell zu bearbeiten, da ehemals mehrfache Teile nun eine einzige Einheit bilden, realisiert werden kann. Alle zuvor erwähnten Merkmale führen kollektiv zu kompaktem Design sowie niedrigen NVH-Merkmalen.
Um die Steifheit des Kompressors bedeutend zu verbessern, werden die auskragenden Abschnitte auf ein Mindestmaß reduziert oder insgesamt entfernt. Um dieses unerwünschte Merkmal in einem Kompressor zu eliminieren, werden eine Kompressor-Trägerstruktur und ein Gehäuse eingesetzt. Die Lösung dieser Probleme ist, den auskragenden Abschnitt zu reduzieren und den Kompressor starr am Gehäuse zu befestigen. Dies wird in 4 dargestellt.
Unter Bezugnahme auf 4 werden mehrere Vorteile erreicht, wenn der zentrale Lagerträger 30 in das Kompressorgehäuse integriert ist. Zunächst wird der auskragende Abschnitt in zwei Bereiche 35a und 35b aufgeteilt, wobei jeder davon eine kürzere Länge aufweist. Dies reduziert den Ausschlag des Gussteils erheblich, welcher an jeder der vier Ecken auftritt. Zweitens wird der Kompressor durch die Integration des Lagerträgers des Kompressorträgers in das Kompressorgehäuse steifer, wodurch sich die NVH-Ergebnissen verbessern. Zuletzt trägt die Integration der beiden Teile ebenfalls dazu bei, die Gesamtlänge des Kompressors zu reduzieren, da es zu keiner Verdopplung der Trägerelemente mehr kommt, wie es bei der Verwendung von zwei separaten Teilen gemäß dem Stand der Technik der Fall war.
Die Kompressor-NVH kann ebenfalls verbessert werden, falls die Steifheit weiter verbessert wird oder die Materialmerkmale verändert werden. Ein einfacher, jedoch effektiver Zusatz zum oben genannten Kompressordesign ist der Zusatz von Versteifungs- oder Dämpfungsringen oder -manschetten 40, die zum Gehäuse hinzugefügt werden. Ein Beispiel hiervon wird anhand des Pfeils in 5 dargestellt. Diese Elemente enthalten ein separates Teil, das in das Gehäuse eingepasst ist. Die Elemente könnten aus Stahl oder einem beliebigen Material gefertigt werden, das die NVH leicht reduzieren würde.

Claims

Kompressormechanismus, umfassend: ein Vordergehäuse; ein Mittelgehäuse und ein rückwärtiges Gehäuse, wobei das Mittelgehäuse einen integralen Kompressor-Lagerträger und eine Kompressorsockelfläche enthält, die das Gehäuse in zwei auskragende Wandteile unterteilen dadurch gekennzeichnet, dass das Mittelgehäuse, eine integrale zentrale Kompressorträgerstruktur umfasst, wobei die zentrale Trägerstruktur eine Wellendichtung enthält, die eine Druckdifferenz zwischen einem Kompressor- und Motorteil aufrecht erhält, wobei die Wellendichtung radial durch das Mittelgehäuse und axial zwischen dem Gehäuse und einem Lager an Ort und Stelle gehalten wird und wobei der Lagerträger eine Gegendruckkammer enthält, die eine umkreisende Spirale trägt.
Kompressormechanismus nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Elektromotorhohlraum und einen Kompressorhohlraum, wobei der Elektromotorhohlraum im Durchmesser größer als der Kompressorhohlraum ist.
Kompressormechanismus nach Anspruch 2, ferner umfassend eine zentrale Trägerstruktur, wobei die Kappen an den Vorder- und rückwärtigen Gehäusen am Mittelgehäuse gesichert sind.
Kompressormechanismus nach Anspruch 1, wobei das Mittelgehäuse und der integrale Kompressorträger jeweils eine entsprechende Fläche aufweisen, die maschinell auf eine bestimmte, von der jeweiligen Fläche beeinflusste Toleranz bearbeitet sind, um eine optimale Ausrichtung jeder Kompressormechanismuskomponente zu gewährleisten.
Kompressormechanismus nach Anspruch 1, wobei das Vordergehäuse und Mittelgehäuse jeweils ein die Welle tragendes Lager und eine Schnittstelle enthält, die eine Presspassung zwischen dem Vordergehäuse und dem Mittelgehäuse ermöglicht, um die Lagerausrichtung zu erleichtern.
Kompressormechanismus nach einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend ein Mittelgehäuse mit einer integralen zentralen Kompressorträgerstruktur, wobei die zentrale Trägerstruktur einen integralen, eng passenden Ringspalt zu einer Antriebswelle hin enthält, der zwischen einem Kompressorteil und einem Motorteil positioniert ist, an dem eine Druckdifferenz vorliegt.
Kompressormechanismus nach Anspruch 1, wobei das Lager, das die Wellendichtung hält, ferner durch einen Steckvorgang an Ort und Stelle gesichert ist.
Kompressormechanismus nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittelgehäuse eine integrale zentrale Kompressorträgerstruktur umfasst, wobei die zentrale Trägerstruktur eine Wellendichtung enthält, die eine Druckdifferenz zwischen dem Kompressor- und Motorteil aufrecht erhält, während die Wellendichtung radial durch das Mittelgehäuse und axial durch eine tragende Flächenkante am Mittelgehäuse und einen Steckvorgang an Ort und Stelle gehalten ist.
Kompressormechanismus nach Anspruch 1, ferner umfassend ein weiteres Gehäuse, das derart konfiguriert ist, um ein Geräusch, Vibration und Rauheit reduzierendes Element aufzunehmen, das im Innern einer Motorseite des Kompressormechanismus platziert ist.
Kompressormechanismus nach Anspruch 1, wobei die Vorder- und rückwärtigen Gehäuse mit einem einzigen Befestigungssatz zusammengeklemmt sind.
Kompressormechanismus nach Anspruch 10, wobei die Befestigungsteile in das Vordergehäuse geschraubt sind.
Kompressormechanismus nach Anspruch 10, wobei die Befestigungsteile in das rückwärtige Gehäuse geschraubt sind.
Kompressormechanismus nach Anspruch 1, wobei das rückwärtige Gehäuse einen die Auslasspulsation ablenkenden Mechanismus enthält, um die abgeleitete Flüssigkeit im rückwärtigen Gehäuse zur Expansion zu einem maximalen Volumen zu bringen.
Kompressormechanismus nach Anspruch 13, wobei der die Auslasspulsation ablenkende Mechanismus in Form eines Hufeisens vorliegt.