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Die Erfindung betrifft einen modularen Verdichter bestehend aus einem elektrischen Verdichter und einer elektrischen Kühlmittelpumpe mit einem gemeinsamen Kühlkreislauf.
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Stand der Technik
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Im Allgemeinen sind Verdichter im Automobilbereich insbesondere im Zusammenhang mit dem Wunsch einer Leistungs- und Effizienzsteigerung einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs zu nennen.
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Eine der wohl bekanntesten Ausführungsformen eines Verdichters stellt der Abgasturbolader dar. Der Abgasturbolader dient dazu in den Zylindern der Verbrennungskraftmaschine eine ausreichende Menge an Verbrennungsluft zu gewährleisten, indem er Umgebungsluft oder ein Umgebungsluft/Abgasgemisch verdichtet und die Zylinder somit mit Überdruck mit dieser Verbrennungsluft versorgt.
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Ein aktueller Ansatz stellt in diesem Zusammenhang der Einsatz eines elektrisch angetriebenen Verdichters dar, der unabhängig von einem Abgasstrom der Verbrennungskraftmaschine arbeitet. Ein solcher Verdichter wird beispielsweise in der noch nicht veröffentlichten
DE 102015214788 beschrieben.
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Auch werden zunehmend elektrisch angetriebene Kühlmittelpumpen eingesetzt. Sowohl für den Verdichter als auch für die Kühlmittelpumpe ist dabei jeweils eine Steuerungs- und mit Leistungselektronik vorgesehen.
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Die beiden Komponenten Kühlmittelpumpe und Verdichter sind als separate Baugruppen vorgesehen und erfordern somit Bauraum und eine Vielzahl von einzelnen Komponenten.
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Aus der
DE10215779 A1 ist eine Brennkraftmaschine mit einer Aufladevorrichtung (
1), einem Abgastrakt (
2), einem Motormanagementsystem (
3) und einem Kühlsystem (
4) bekannt, wobei die Aufladevorrichtung (
1) ein Luftmodul (
5) umfaßt, das eine elektrische Drosselklappe (
6), einen elektrisch betriebenen Ladeluftverdichter (
7), einen Ladeluftkühler (
8), eine elektrische Kühlmittelpumpe (
9) und ein Saugrohrmodul (
10) in einem gemeinsamen Luftmodulgehäuse kompakt zusammenfasst.
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Die elektrische Ansteuerung erfolgt dabei über Leitungen aus einem Motormanagementmodul, das separiert vorhanden ist.
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DE102013225242 A1 zeigt eine Aufladevorrichtung für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs, das Planetengetriebe (
20), eine erste und eine zweite elektrische Maschine (
30,
32), ein Verdichterrad (
40) und einen Verbrennungsmotoranschluss (
40) eingerichtet zur Befestigung an eine Abtriebswelle (
54) des Verbrennungsmotors aufweist.
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Die
EP1343954B1 zeigt einen elektrisch angetriebenen Strömungsverdichter mit einem Antrieb (
2,
3) - und einen Strömungsverdichter und einen Wandler (
5) zur elektrischen Versorgung und Steuerung der Antriebseinheit (
2,
3).
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde einen modularen Verdichter zu schaffen, der durch die Integration der Kühlmittelpumpe und der elektrischen Ansteuerung mit höherer Effizienz und kostengünstiger arbeiten kann.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen modularer Verdichter bestehend aus einem Verdichterrad und einem elektrischen Motor für den Antrieb des Verdichterrads und einer Kühlmittelpumpe mit Flügelrad und Antrieb gelöst, wobei ein gemeinsames Gehäuse die Komponenten umschließt und eine gemeinsame elektrische Steuer- und Leistungselektronik in Gehäuse zwischen den Komponenten vorhanden ist.
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Durch die Integration in einem Gehäuse werden die thermischen Verhältnisse räumlich optimiert und durch die Verwendung einer einzigen Steuerelektronik kostspielige Bauteile der Elektronik eingespart.
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Vorteilhafterweise besitzt der modulare Verdichter eine einzige gemeinsame Steuer- und Leistungselektronik, die sowohl den elektrischen Motor des Verdichters als auch einen elektrischen Motor der Kühlmittelpumpe, so vorhanden, steuert. Die Steuer- und Leistungselektronik wird dabei zum Antrieb und zur Regelung des elektrischen Verdichters und der Kühlmittelpumpe genutzt.
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Die gemeinsame Steuer- und Leistungselektronik ermöglicht eine effiziente Steuerung und ist durch Integration in das gemeinsame Gehäuse auch effizient mitkühlbar.
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Es ist von Vorteil, dass die elektrische Kühlwasserpumpe mit dem Kühlkreislauf des elektrischen Verdichters verbunden ist, der elektrische Verdichter wird dadurch besonders gut gekühlt.
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Baulich von Vorteil ist es dabei, wenn die Wellen der beiden elektrischen Motoren parallel zueinander angeordnet sind, was ein besonders kompaktes Gehäuse ermöglicht.
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Nach kompakter wird die Anordnung, wenn die beiden Wellen in Verlängerung zueinander angeordnet sind.
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Vorteilhafterweise ist dass, das gemeinsame Gehäuse aus wenigstens einem Teil besteht und aus Kunststoff, Metall, Metalllegierungen oder Verbundwerkstoff hergestellt ist. Gerade die Verwendung von Kunststoffen für das Gehäuse ermöglicht eine einfache Herstellung und Gewichtsreduktionen.
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Es ist von Vorteil, dass die gemeinsame Steuer- und Leistungselektronik über Steckerstifte kontaktiert ist, die das gemeinsame Gehäuse durchdringen. Hier ist gerade bei Kunststoff- oder Verbundgehäusen die Herstellung durch Umspritzen besonders einfach.
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Vorteilhafterweise enthält das gemeinsame Gehäuse im Bereich der Wellen Rollenlager.
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Zwischen den einzelnen Modulen sind Dichtungen vorhanden, so dass die einzelnen Komponenten von den Kühlströmen und Luftverdichtungsströmen zu trennen sind.
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In einer alternativen Ausführungsform ist die Kühlmittelpumpe über eine mechanische Verbindung zur Welle des Verdichters antreibbar, wobei ein elektrischer Motor für die Kühlmittelpumpe entfällt.
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Figurenliste
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Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben.
- Es zeigt 1 eine Außenansicht eines modularen Verdichters in linearer Anordnung,
- in 2 ein Schnittbild dieser Ausführungsform.
- 3 zeigt eine Außenansicht einer nicht erfindungsgemäßen Lösung mit versetzen Wellen und
- 4 zeigt das Schnittbild dazu.
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In der 1 ist schematisch eine Ausführungsform des modularen Verdichters 30 dargestellt. Zu erkennen ist ein zylindrischer Gehäusekörper, das Gesamtgehäuse 13, der sich um eine Achse 15 erstreckt. Auf der linken Seite der 1 ist der elektrische Verdichter 31 angeordnet, auf der rechten Seite die elektrische Kühlmittel- oder Wasserpumpe 32. Diese beiden Komponenten bilden die Hauptbaugruppen des modularen Verdichters. Das Gesamtgehäuse 13 des modularen Verdichters 30 weist unterschiedliche Bereiche auf. Ein erster Bereich befindet sich auf der linken Seite mit einem Spiralgehäuse 1 für den Verdichter, in dem zentral ein Verdichterrad 23 läuft. Geprägt ist dieser Gehäuseteil durch einen Lufteinlass 8, der zentral in das Gehäuse führt sowie einen spiralförmig angeordneten Luftauslass 7. An das Spiralgehäuse 1für den Verdichter angeschlossen ist das Gehäuse 2 für den elektrischen Motor 19 des Verdichters. Es besteht aus einem zylindrischen Bauteil. Daran angeschlossen ist ein Gehäusering 3 als Gehäuse für die Steuer- und Leistungselektronik 14 zu erkennen. Dieser Gehäuseteil 3 wird vom Gehäuse 4 des elektrischen Motors 18 der Kühlmittelpumpe 32 nach rechts begrenzt, wo er in ein Spiralgehäuse 5 für die Kühlmittelpumpe 32 übergeht. Dieses Spiralgehäuse 5 weist einen Wasserzufluss 10 sowie einen Wasserauslass 9 auf.
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Die einzelnen Gehäusebauteile in der Ausführungsform der 1 weisen dasselbe zylindrische Außenmaß auf, bis auf die sich spiralig erstreckenden Auslässe 7 und 9.
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Auf dem Gehäuse sind domförmige Ausbildungen 28 angebracht, um den modularen Verdichter 30 im Fahrzeug befestigen zu können. Um den elektrischen Anschluss zu gewährleisten, ist ein Stecker 6 angedeutet. Es ist dabei nicht notwendig, ein Steckerelement wie in der 1 angedeutet, auszubilden. Vielmehr reicht es aus, elektrische Leitungen in Form von Steckerpins durch das Gehäuse 3 für die Steuer- und Leistungselektronik 14 nach außen zu führen.
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Es ist dabei von Vorteil einen einzigen Anschluss im Sinne eines Anschlusssystems vorzusehen. Üblicherweise hat man bei den erfindungsgemäßen Systemen, wenn diese z.B auf 48V basieren, einen 12V-Signalstecker und einen 48V-Leistungsstecker, di man mit einem Anschlußsystem in das Gehäuse führen kann. Dies trifft auch auf eine Kombination 12V Signalleitung und einer 300V Leistungsverbindung zu. Es ist aber auch möglich Die elektrischen Anbindungen über mehrere räumlich getrennte Anschlüsse zu realisieren
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Das Gehäuse setzt sich aus den verschiedenen Gehäuseteilen zusammen, so dass die Gehäuseteile 1, 2, 3, 4 und 5 ein Gesamtgehäuse 13 bilden. Dabei ist es nicht notwendig, dass diese Gehäuseteile aus einzelnen Bauteilen zusammengesetzt sind. Vielmehr ist es wünschenswert, das Gehäuse so weit wie möglich aus einem einzelnen Bauteil oder zumindest aus wenigen Bauteilen herzustellen.
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In der 2 ist ein Schnittbild der Ausführungsform der 1 zu sehen. Zusätzlich zu den einzelnen Bauteilen, die nachstehend erläutert werden, sind dabei die Luft- und Kühlmittel-Ströme angedeutet.
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Auf der linken Seite ist wiederum der elektrische Verdichter 31 in seinem Spiralgehäuse 1 angeordnet. Innerhalb dieses Gehäuseteils 1 ist das Verdichterrad 23 zu erkennen, das auf einer Verdichterwelle 20 sitzt. Ein elektrischer Motor 19 treibt diese Verdichterwelle 20 an und ist mit Dichtungen 21 gegen den Verdichter und die weiteren Bauteile isoliert. Die Dichtungen stellen sicher, dass kein Kühlmittel in die Komponenten geraten und die einzelnen Baugruppen gegeneinander gedichtet sind. Die Steuer- und Leistungselektronik 14 ist direkt am elektrischen Motor 19 des Verdichters 31 angeordnet. Der Steckverbinder 12 mit einem elektrischen Anschluss 11 ist angedeutet und stellt die Verbindung zum Stecker 6 her..
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Ein elektrischer Motor 18 für die Wasserpumpe 32 treibt über eine Welle 17 für die Wasserpumpe 32 ein Flügelrad 16 an. Die Welle 17 der Wasserpumpe 32 liegt in Verlängerung der Verdichterwelle 20. Damit ist die Steuer- und Leistungselektronik 14 zwischen den beiden elektrischen Antrieben 18, 19 für Verdichter 31 und Kühlmittelpumpe 32 angeordnet und kann mit diesen Bauteilen über kurze Entfernungen kontaktiert werden.
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Die Wellen der einzelnen Baugruppen sind rollengelagert wobei auch hier Materialkombinationen mit Stahllagern und Keramik-Rollen zur Anwendung kommen.
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Der Kühlmittelfluss, im Allgemeinen wird Kühlwasser mit Zusätzen verwendet, wird mit punktierten Pfeilen angedeutet. Über den Wasserzufluss 10 wird Kühlmittel durch ein Flügelrad 16 in die Kühlmittelversorgung gepumpt, die aus den Wasserauslass 9 und einer Verbindung zu Kühlkanälen 24 besteht. Dabei wird das Kühlwasser in Kühlkanäle 24 gepumpt, die sich in den elektrischen Motor 18 der Pumpe 32, in die Steuer- und Leistungselektronik 14, in den elektrischen Motor 19 des Ver- dichters 31 und in den elektrischen Verdichter 31 bis zum Verdichterrad 23 erstrecken.
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Durch die Modulbauweise ergibt sich durch die unmittelbare örtliche Nähe der Kühlmittelpumpe zum elektrische Verdichter 31 der Vorteil, dass das Kühlwasser auf kürzestem Wege zum Verdichter geleitet werden kann, um hier primär den Elektromotor, sekundär auch das Spiralgehäuse des Verdichters zu kühlen, was zu einer Funktion der Ladeluftkühlung führt.
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Die hier vorliegende Erfindung beschreibt die modulare Bauweise von zwei Strömungsmaschinen, welche grundsätzlich mit unterschiedlichen Medien, nämlich mit Luft und Kühlmittel wie beispielsweise Wasser arbeiten, wobei die Antriebe von ein und derselben Steuer- und Leistungselektronik betrieben werden.
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In der 3 wird eine alternative, nicht erfindungsgemäße Ausführungsform dargestellt, die auf einen elektrischen Antrieb für die Kühlmittelpumpe verzichtet. Zu erkennen ist wieder ein gemeinsames Gehäuse, wobei in diesem Beispiel die Achsen des Verdichters 15 und die Achse der Kühlmittelpumpe 26 versetzt, aber parallel zueinander angeordnet sind. Die beiden Spiralgehäuse, die des Verdichters 1 und das Spiralgehäuse der Wasserpumpe 5, liegen um den Achsversatz versetzt zueinander.
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In 4 ist diese Ausführungsform im Schnitt deutlicher dargestellt. Die Welle der Wasserpumpe 17 ist versetzt zur Verdichterwelle 20 angeordnet. Der Antrieb des Flügelrads 16 erfolgt daher über eine mechanische Verbindung 25. Dabei kann jede Möglichkeit, die dem Fachmann geläufig ist gewählt werden. Beispielsweise sind Lösungen mit einem Riemen- oder einem Kettenantrieb möglich oder eine Kupplung mit Zahnradeingriffen. Dabei ist vorgesehen, diese Verbindung, z.B. die Zahnräder, mit Kunststoffmaterial auszubilden.
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Auch in dieser Ausführungsform sind die Kühlmittelströme punktiert angedeutet. Das vom Flügelrad 16 gepumpte Kühlmittel fließt dabei wieder durch das Verdichterrad 23, den elektrischen Motor 19 des Verdichters 31 sowie durch die Steuer- und Kontrolleinheit 14. In diesem gezeichneten Ausführungsbeispiel fließt das Kühlwasser erst nach dem Durchlauf durch Verdichter 31, elektrischen Motor 19 und Steuer- und Leistungselektronik 14 in den eigentlichen Kühlkreislauf über den Wasserauslass 9.
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In beiden Ausführungsformen nach den 2 und 4 ist es möglich, den Kühlmittelfluss entweder aufzuteilen und die Ströme jeweils zur Verbrennungskraftmaschine und zum Verdichter 31 Verdichter zu bringen, oder den Kühlmittelstrom zuerst durch Verdichter-Anordnung zu führen und erst anschließend über den Wasserauslass 9 der Verbrennungskraftmaschine zuzuführen.
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Die jeweiligen Spiralgehäuse 1 und 5 werden aus einem einzigen Bauteil hergestellt wobei Stahl, Aluminium Legierungen oder Kunststoffmaterialien zum Einsatz kommen.
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Das Gehäuse 2 für den elektrischen Motor 19 des Verdichters 31 sowie das Gehäuse 3 für die Steuer- und Leistungselektronik 14 sowie das Gehäuse 4 für den elektrischen Motor 18 der Wasserpumpe 32 werden aus Kunststoffmaterial hergestellt. Verwendet man Kunststoffmaterialien ist es auch einfach die Steckverbinder 12 durch das Gehäuse nach außen zu führen.
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Um das Gesamtgehäuse herzustellen sind auch Materialkombinationen vorgesehen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Spiralgehäuse Verdichter
- 2
- Gehäuse e-Motor Verdichter
- 3
- Gehäuse für Steuer- und Leistungselektronik
- 4
- Gehäuse e-Motor Pumpe
- 5
- Spiralgehäuse Wasserpumpe
- 6
- Stecker
- 7
- Luftauslass
- 8
- Lufteinlass
- 9
- Wasserauslass
- 10
- Wasserzufluss
- 11
- elektrischer Anschluss
- 12
- Steckverbinder
- 13
- Gesamtgehäuse
- 14
- Steuer- und Leistungselektronik
- 15
- Achse Verdichter
- 16
- Flügelrad Wasser
- 17
- Welle Wasserpumpe
- 18
- elektrischer Antrieb / elektrischer Motor Wasserpumpe
- 19
- elektrischer Antrieb / elektrischer Motor Verdichter
- 20
- Verdichterwelle
- 21
- Dichtung
- 23
- Verdichterrad
- 24
- Kühlkanäle
- 25
- mechanische Verbindung
- 26
- Achse
- 30
- modularer Verdichter
- 31
- elektrischer Verdichter
- 32
- elektrische Kühlmittelpumpe / Wasserpumpe
