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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gehäuse geeignet für die Aufnahme einer Antriebseinheit eines Elektromotors, insbesondere für einen Verdichter in einem Kühlkreislauf, nach Anspruch 1.
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Verdichter gelangen vorwiegend in Kälte- und Klimaanlagen zum Einsatz und sind aus zahlreichen Druckschriften bekannt. Sie umfassen im Allgemeinen einen Verdichtungsmechanismus zum Verdichten eines Kältemittels, insbesondere eines Gases, welches durch anschließende Expansion eine Kühlwirkung hervorruft. Die Verdichtung findet in Systemen meist durch eine Drehbewegung einer Baugruppe des Verdichtungsmechanismus statt, die je nach Bauart Schrauben, Laufräder, Rotoren oder ähnliche Bauteile aufweisen kann. Der Antrieb dieser Baugruppe kann durch einen Antriebsmotor, etwa einen Elektromotor erfolgen, der mit dem Verdichter über eine gemeinsame Welle in Wirkverbindung steht.
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Grundsätzlich sind verschiedene Gehäusebauarten für Verdichtereinheiten bekannt. So ist beispielsweise bei einem hermetischen Gehäuse das Innere des Gehäuses mit einem Prozessmedium, insbesondere mit einem Kältemittel, durchströmt, wobei das Kältemittel sowohl deren Antriebsmotor als auch den Verdichter und das Gehäuse kühlt. Dahingegen ist bei einem halbhermetischen Verdichter der Motor mit dem Verdichtergehäuse über einen Flansch verbunden, durch den die Motorwelle hindurchgeführt ist. Das Kältemittel führende Verdichtergehäuse ist vom Motorgehäuse getrennt. Um übermäßiger Hitzeentwicklung entgegenzuwirken, kann eine gesonderte Zwangskühlung des Motors vorgesehen sein, beispielsweise durch ein Umspülen der bewegten Teile innerhalb des Motorgehäuses mit einem Kältemittel und/oder durch die Anordnung von Kühlkanälen, die durch das Motorgehäuse geführt werden und an besonders durch Hitze beanspruchten Stellen selbige abführen.
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Im Stand der Technik bekannt ist des Weiteren die Bauform des Scrollverdichters, bei dem zwei schraubenförmige Rotoren mit umlaufender Verzahnung miteinander in Eingriff stehen, deren synchronisierte Bewegung das Gas verdichtet. Dabei wird sowohl der Verdichter als auch der Antriebsmotor durch das den Motor umströmende Sauggas gekühlt.
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Um eine ausreichend hohe Druckfestigkeit und eine hermetische Dichtigkeit zu gewährleisten, weisen konventionelle hermetische und halbhermetische Verdichter in der Regel ein Verdichter- beziehungsweise Motorgehäuse aus Stahl, Stahlguss oder Gusseisen auf. Nachteilig hierbei ist, dass diese Gehäuse schwer und groß sind, was den Anwendungsbereich in unerwünschter Weise einschränkt.
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Offenbarung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gehäuse für eine Antriebseinheit der eingangs genannten Art bereitzustellen, welches die oben genannten Nachteile verbessert und ein gegenüber herkömmlichen Gehäusen reduziertes Gewicht aufweist und damit die Antriebseinheit leichter und preiswerter hergestellt werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch ein Gehäuse geeignet für die Aufnahme einer Antriebseinheit eines Elektromotors, insbesondere für einen Verdichter in einem Kühlkreislauf, gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen, Varianten und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Gehäuse einen rotationssymmetrischen Grundkörper aufweist, wobei der Grundkörper ein hülsenförmiges Rippenelement mit außenseitig verlaufenden Rippen, und ein Abschlusselement, insbesondere ein Flanschelement umfasst, wobei das Abschlusselement mit dem hülsenförmigen Rippenelement an einem ersten Ende verbunden ist und das Rippenelement abschließt. Ferner weist das Gehäuse einen Innentopf und einen Außentopf auf, wobei der Innentopf das Rippenelement von außen umschließt und mit dem Abschlusselement sowie mit den Rippen formschlüssig und kraftschlüssig verbunden ist. Der Außentopf umschließt den Innentopf von außen formschlüssig und kraftschlüssig, wobei der Innentopf und der Außentopf zusammen einen Schichtaufbau bilden, wobei vorteilhafterweise der Schichtaufbau eine Verbundstruktur ist, so dass die zwischen dem Innentopf und dem Außentopf auftretenden Kräfte übertragen werden.
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Entsprechend stößt der Innentopf mit seiner offenen Seite an das Abschlusselement und ist dort mit diesem vorteilhafterweise durch Klebung, Schweißung oder ein anderes geeignetes Fügeverfahren verbunden. Auf diese Weise formen das Abschlusselement und der Innentopf einen Hohlraum der im Wesentlichen nur im Bereich einer Öffnung des Abschlusselements nach außen offen ist. Bevorzugterweise besteht der Innentopf aus einem hermetisch dichten Material, etwa einem Metall, beispielsweise Stahl, Aluminium, Magnesium, und kann beispielsweise durch Tiefziehen hergestellt werden, wobei die Dicke des Innentopfes bei ≤ 3,5mm, bevorzugterweise bei ≤ 2,5mm liegt und besonders bevorzugt 0,5mm beträgt.
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Grundsätzlich kann der Grundkörper als einstückiges Bauteil, beispielsweise in einem Gieß- oder Schmiedeverfahren hergestellt werden und aus Aluminium, Magnesium, Stahl, Eisen, oder einem anderen Metall oder einer Metalllegierung bestehen. Denkbar ist aber auch, dass das Abschlusselement, das hülsenförmiges Rippenelement mit den Rippen, sowie das Stützelement als einzelne Bauteile gefertigt und anschließend durch ein geeignetes Fügeverfahren zusammengesetzt werden.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist der Innentopf mit dem Abschlusselement sowie mit den Rippen derart verbunden, dass zwischen dem hülsenförmigen Rippenelement und dem Innentopf wenigstens ein umlaufender Kühlkanal ausgebildet wird.
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Dabei umschließt der Innentopf den Grundkörper formschlüssig im Bereich der Rippen, wobei die Kontaktbereiche zwischen den Rippen und dem Innentopf gemäß der Formgebung der Rippen einen Kühlkanal, insbesondere einen umlaufenden spiralförmigen, ringförmigen und/oder wendelförmigen Kühlkanal ausbildet. Vorteilhafterweise können sowohl die Kontaktbereiche zwischen dem Abschlusselement und dem Innentopf als auch die Kontaktbereiche zwischen dem Innentopf und den Rippen mittels eines Fügeverfahrens, insbesondere durch Schweißen, Kleben und/oder Löten zusätzlich abgedichtet werden
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In einer bevorzugten Ausführungsform besteht der Außentopf aus einem thermisch isolierenden Material, wobei insbesondere ein Faserverbundwerkstoff, vorzugsweise ein anisotroper Faserverbundwerkstoff, beispielsweise aus Glas- oder Kohlefaser oder Aramidfaser oder einer Matrix in Form von Epoxyd-Harz verwendet wird. Durch die Verwendung eines Faserverbundwerkstoffes können gute Dämpfungseigenschaften, eine hohe Korrosionsbeständigkeit, eine geringe Wärmedehnung sowie eine hohe gewichtsbezogene Festigkeiten und Steifigkeiten erreicht werden. Dabei ummantelt der Außentopf den Innentopf formschlüssig und kraftschlüssig, wobei Innentopf und Außentopf vorteilhafterweise miteinander verklebt sein können, um eine hohe strukturelle Integrität zu erzielen. Der Außentopf ist, so wie der Innentopf, an seiner offenen Seite mit dem Abschlusselement verbunden, beispielsweise verklebt oder verschweißt. Ferner kann der Außentopf auf den Innentopf auf laminiert sein, das heißt die Fasern des Faserverbundwerkstoffes können um den Innentopf gewickelt und dann mit einer geeigneten Matrix vergossen werden, dabei ist es besonders vorteilhaft, dass der Außentopf 800 hinsichtlich der Materialwahl und der Dicke so ausgelegt ist, dass er innerhalb des Verbundgehäuses herrschende Innendrücke aufnehmen kann, welche dem Sättigungsdruck des Kältemittels bei Einsatzbedingungen entsprechen, wobei er insbesondere Drücken ≤ 45 bar, vorzugsweise ≤ 55 bar standhalten kann.
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Grundsätzlich ist es besonders vorteilhaft, wenn der Grundkörper wenigstens ein hülsenförmiges Lagerelement und ein weiteres Stützelement aufweist. In einer bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich wenigstens ein Stützelement des Grundkörpers ausgehend von dem hülsenförmigen Rippenelement nach innen hin. Dabei ist es von Vorteil, wenn das Lagerelement innerhalb des Grundkörpers durch das Abschlusselement, insbesondere durch ein Flanschelement, gehalten ist, wobei die Verbindung zwischen dem Abschlusselement und dem Lagerelement vorteilhafterweise durch Presspassung, Kleben, Schweißen, oder einem anderen geeigneten Fügeverfahren erfolgen kann. Bevorzugterweise wird das Lagerelement koaxial zum Grundkörper innerhalb des Grundkörpers durch das Stützelement und das Abschlusselement gehalten, wobei das Lagerelement durch Formschluss vom Stützelement gehalten und somit in seiner Lage im Gehäuse fixiert werden kann. Ferner ist es von Vorteil wenn der Stator des Motors durch Pressung, Klebung, Schweißung oder ein anderes geeignetes Fügeverfahren mit dem hülsenförmigen Rippenelement verbunden ist.
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Grundsätzlich sind diese Verbindungen zwischen dem Abschlusselement und dem Lagerelement sowie zwischen dem Stützelement und dem Lagerelement und dem Stator und dem hülsenförmigem Rippenelement dazu ausgelegt, eine Wärmeübertragung zwischen den jeweiligen Bauteilen zu gewährleisten, so dass der durch die steigende Leistungsdichte von elektrischen Maschinen und der damit einhergehenden starken Wärmeentwicklung auf kleinem Raum entgegengewirkt und eine ausreichende Kühlung der Antriebseinheit im Gehäuseinneren ermöglicht werden kann.
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Durch die vorliegende Erfindung wird gewährleistet, dass eine Antriebseinheit eines Elektromotors, insbesondere die Antriebseinheit eines Kälteverdichters in einem Gehäuse aufgenommen wird, wobei das Gehäuse einerseits hermetisch dicht und andererseits besonders leicht ausgebildet ist. Somit lässt sich eine Antriebseinheit mit einem erfindungsgemäßen Gehäuse vorteilhaft in Bereichen einbauen, die eine geringe Einbauhöhe bzw. Einbaubreite aufweisen und kann somit überall direkt dort eingebaut werden, wo er benötigt wird. Lange und damit aufwendige Zuleitungen, wie beispielsweise Kühlleitungen können daher entfallen.
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Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten, Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele der Erfindung, welche in den Figuren dargestellt sind. Die Beschreibung, die zugehörigen Figuren sowie die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Ein Fachmann wird diese Merkmale, insbesondere auch die Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele, auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen. Dabei ist zu beachten, dass die dargestellten Merkmale nur einen beschreibenden Charakter haben und auch in Kombination mit Merkmalen anderer oben beschriebener Weiterentwicklungen verwendet werden können und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken.
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Zeichnungen
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Zeichnungen sind schematisch und zeigen:
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1 einen erfindungsgemäßes Gehäuse in Schnittansicht;
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2 eine Detailansicht gemäß dem Ausschnitt I aus 1; und
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3 eine Detailansicht gemäß dem Ausschnitt II aus 1.
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Die 1 zeigt einen Querschnitt eines Gehäuses 100 eines Antriebsmotors, in diesem Fall eines Elektromotors, eines halbhermetischen Verdichters, wobei die Figur nur eine Hälfte des im Wesentlichen rotationssymmetrischen Querschnittes zeigt.
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Im vorgesehenen Einsatz ist das Gehäuse 100 über ein Abschlusselement 200 mit einer nicht dargestellten Volute verbunden, in welcher sich der Rotor des Verdichters sowie das zu verdichtende Kältemittel befinden. Zur Kraftübertragung des Motors an den Rotor dient eine nicht dargestellte Welle, welche konzentrisch zur Rotationsachse x verläuft und in an späterer Stelle genauer beschriebener Weise im Gehäuse 100 gelagert ist. Die Welle tritt durch eine Öffnung 210 durch das Abschlusselement 200 des Gehäuses 100.
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An das Abschlusselement 200 schließt ein bezüglich der Rotationsachse x rotationssymmetrischer Grundkörper 300 an. Der Grundkörper weist ein hülsenförmiges Rippenelement 310 mit einem ersten Ende 340, einem zweiten Ende 350 und außenseitig umlaufenden Rippen 320 auf, wobei das Abschlusselement 200 mit dem hülsenförmigen Rippenelement 310 verbunden ist und das Rippenelement 310 an dem ersten Ende 340 abschließt. Die Rippen 320 verlaufen schneckenförmig um das Rippenelement 310 herum und bilden einen umlaufenden Kanal 400.
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Weiterhin umfasst der Grundkörper 300 wenigstens ein im Bereich der Verbindung zwischen Abschlusselement 200 und Rippenelement 310 anschließendes Stützelement 330, das sich in radialer Richtung ins Innere des hülsenförmigen Rippenelementes 310 erstreckt und in axialer Richtung vom Abschlusselement 200 absteht. In dieser rotationssymmetrischen Ausführung bildet das Stützelement 330 ein trichterförmiges Bauteil, es ist jedoch auch denkbar, dass mit einem bestimmten Winkelabstand bezüglich der Rotationsachse x einzelne Arme in das Innere des hülsenförmigen Rippenelementes 310 abstehen.
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Der Grundkörper 300 ist in der dargestellten Ausführungsform ein einstückiges Bauteil, das beispielsweise in einem Gieß- oder Schmiedeverfahren hergestellt werden und aus Aluminium, Magnesium, Stahl, Eisen, oder einem anderen Metall oder einer Metalllegierung bestehen kann. Ebenso ist es jedoch möglich, dass das Abschlusselement 200, das hülsenförmige Rippenelement 310 mit den Rippen 320, sowie das Stützelement 330 als einzelne Bauteile gefertigt und anschließend durch ein geeignetes Fügeverfahren zusammengesetzt werden.
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Im Bereich der Öffnung 210 des Abschlusselements 200 ist ein zylindrisches Lagerelement 500 mit dem Abschlusselement 200 verbunden, die konzentrisch zur Rotationsachse x verläuft und dazu dient, die Motorwelle des Antriebsmotors zu lagern. Die Verbindung zwischen dem Abschlusselement 200 und dem Lagerelement 500 kann beispielsweise durch Presspassung, Kleben, Schweißen, oder ein anderes geeignetes Fügeverfahren erfolgen. Die Verbindung ist insbesondere dazu ausgelegt, Wärmeübertragung zwischen dem Abschlusselement 200 und dem Lagerelement 500 zu ermöglichen.
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Das Lagerelement 500 wird desweiteren durch Formschluss vom Stützelement 330 gehalten und in seiner Lage im Gehäuse 100 fixiert. Die Verbindung ist insbesondere dazu ausgelegt, Wärmeübertragung zwischen dem Stützelement 330 und dem Lagerelement 500 zu ermöglichen.
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An dem dem Abschlusselement 200 abgewandten Ende des Lagerelementes 500 befindet sich ein kreisringförmiger Stator 600, welcher der Aufnahme von nicht dargestellten Wicklungen des Elektromotors dient. Der Stator 600 kann direkt an das Lagerelement 500 anschließen und mit dem Lagerelement 500 verbunden, oder aber in axialer Richtung beabstandet sein. Der Stator 600 ist durch Pressung, Klebung, Schweißung oder ein anderes geeignetes Fügeverfahren mit dem hülsenförmigen Rippenelement 310 verbunden. Die Verbindung ist insbesondere dazu ausgelegt, Wärmeübertragung zwischen dem Stator 600 und dem hülsenförmigem Rippenelement 310 zu ermöglichen.
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Das hülsenförmige Rippenelement 310 wird an seiner Außenseite von einem hermetisch dichten, topfförmigen Innentopf 700 umschlossen, der mit seiner offenen Seite an das Abschlusselement 200 stößt und dort mit diesem durch Klebung, Schweißung oder ein anderes geeignetes Fügeverfahren verbunden ist. Auf diese Weise formen das Abschlusselement 200 und der Innentopf 700 einen Hohlraum, in dessen Innern sich das hülsenförmige Rippenelement 310, das wenigstens eine Stützelement 330, das Lagerelement 500, und der Stator 600 befinden, und der im wesentlichen nur im Bereich der Öffnung 210 des Abschlusselements 200 nach außen offen ist. Der Innentopf 700 besteht aus einem hermetisch dichten Material, etwa einem Metall, beispielsweise Stahl, Aluminium, Magnesium, und kann beispielsweise durch Tiefziehen hergestellt werden, wobei die Dicke des Innentopfes 700 bei ≤ 3,5mm, bevorzugterweise bei ≤ 2,5mm liegt und besonders bevorzugt 0,5mm beträgt.
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Der Innentopf 700 umschließt den Grundkörper 300 formschlüssig im Bereich der Rippen 320. Wie in den 2 und 3 im Detail zu erkennen ist bilden die Kontaktbereiche 710 zwischen den Rippen 320 und dem Innentopf 700 gemäß der Formgebung der Rippen 320 einen umlaufende spiralförmigen Kanal 400, wobei der Kontaktbereich 710 zwischen Rippen 320 und Innentopf 700 durch weitere Maßnahmen, etwa Klebung oder Schweißung, zusätzlich abgedichtet werden kann.
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Der Innentopf 700 wird von außen formschlüssig und kraftschlüssig von einem Außentopf 800 ummantelt, wobei Innentopf 700 und Außentopf 800 vorteilhafterweise miteinander verklebt sein können, um eine hohe strukturelle Integrität zu erzielen. Der Außentopf 800 ist, so wie der Innentopf 700, an seiner offenen Seite mit dem Abschlusselement 200 verbunden, beispielsweise verklebt oder verschweißt. Der Außentopf 800 kann aus einem Faserverbundwerkstoff bestehen, beispielsweise aus Glas- oder Kohlefaser, und er kann auf den Innentopf 700 auf laminiert sein, das heißt die Fasern des Faserverbundwerkstoffes können um den Innentopf 700 gewickelt und dann mit einer geeigneten Matrix vergossen werden. Der Außentopf 800 ist hinsichtlich der Materialwahl und der Dicke so ausgelegt, dass er innerhalb des Verbundgehäuses herrschende Innendrücke aufnehmen kann, welche dem Sättigungsdruck des Kältemittels bei Einsatzbedingungen entsprechen, wobei er insbesondere Drücken von ≤ 45 bar, vorzugsweise ≤ 55 bar aufnehmen kann.
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Der Innentopf 700 und der Außentopf 800 werden in einem Bereich in der Nähe des Abschlusselements 200 durch einen ersten Kühlmittelkanal 410 durchdrungen, der in Kontakt mit einem nicht dargestellten Kühlmittelreservoir steht. Der erste Kühlmittelkanal 410 mündet in den spiralförmigen Kanal 400, sodass Kühlmittel von außen in den Kanal 400 geleitet werden kann. An dem entfernten Ende des spiralförmigen Kanals 400, das heißt im Bereich des Endes des hülsenförmigen Rippenelementes 310, der nicht mit dem Abschlusselement 200 verbunden ist, tritt ein zweiter Kühlmittelkanal 420 durch den Innentopf 700 und den Außentopf 800.
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Auf diese Weise kann Kühlmittel vom Kühlmittelreservoir durch den ersten Kühlmittelkanal 410 in den Kanal 400 geführt werden, der durch den Innentopf 600 und das hülsenförmige Rippenelement 310 gebildet wird, und durch den zweiten Kühlmittelkanal 420 wieder aus dem Kanal 400 austreten. Das Kühlmittel umströmt das hülsenförmige Rippenelement 310 und bewirkt so eine Zwangskühlung.
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Da die Verbindungen zwischen dem Lagerelement 500 und dem Abschlusselement 200, dem Lagerelement 500 und dem Stützelement 330, sowie dem Stator 600 und dem hülsenförmigen Rippenelement 310 Hitze weiterleiten, die während des Betriebs des Motors im Bereich des Abschlusselements 200, dem Lagerelement 500, und/oder dem Stator 600 entsteht, bewirkt die Zwangskühlung des hülsenförmigen Rippenelementes 310 eine effektive Wärmeableitung aus dem Gehäuse 100. Dieser Effekt wird verstärkt, wenn der Grundkörper 100 so ausgelegt wird, dass er eine hohe thermische Kapazität hat, wenn er also beispielsweise als einstückiges, dickwandiges Bauteil ausgeführt wird, das aus einem Material besteht, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, etwa aus Aluminium.
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Wie in der 3 im Detail dargestellt ist, können ein oder mehrere externe Gehäuseanschlüsse 900 vorgesehen sein, so dass beispielsweise ein Stromkabel durch den Innentopf 700 und den Außentopf 800 durchgeführt wird.
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Der Innentopf 700 und der Außentopf 800 bilden zusammen eine sandwichartige Außenhülle des Gehäuses 100. Wird das Gehäuse von innen mit Druck beaufschlagt, leitet der hermetisch dichte Innentopf 700 diesen Druck an den Außentopf 800 weiter. Dadurch ist es möglich, dass der Innentopf 700 dünnwandig ausgelegt werden kann, da er nur der Druckweiterleitung dient, nicht der Druckaufnahme, und der Außentopf 800, der den Druck aufnimmt, muss nicht auch hermetisch dicht zu sein, sodass wiederum nicht-metallische Materialien zur Anwendung kommen können. Auf diese Weise ist eine funktionale Trennung der hermetischen Dichtigkeit und der Druckfestigkeit des Gehäuses 100 möglich, so dass eine leichte, kostengünstige, und gleichzeitig hochfunktionelles Gehäuse 100 bereitgestellt werden kann.
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Der Innendruck des Gehäuses 100 kann bei der in den 1 bis 3 gezeigten halbhermetischen Verdichterbauart, bei der der Innenraum des Gehäuses 100 mit einem Kühlmittel zur zusätzlichen Kühlung des Motors, beispielsweise mit einem Gas, ausgefüllt ist, durch die Rotation der Welle des Elektromotors hervorgerufen werden.
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Bei der eingangs beschriebenen hermetischen Bauart eines Verdichters entsteht ein zusätzlicher Druck durch die Kompression des Kältemittels, das sich ebenfalls im inneren des Gehäuses 100 befindet.
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Neben den beschriebenen und abgebildeten Ausführungsformen sind weitere Ausführungsformen vorstellbar, welche weitere Abwandlungen sowie Kombinationen von Merkmalen umfassen können.
