-
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einem um eine Rotationsachse drehbar gelagerten Rotor. Die Erfindung betrifft ferner ein Kraftfahrzeug mit einer elektrischen Maschine, die die Vorrichtung umfasst.
-
Kraftfahrzeuge weisen üblicherweise zumindest einen vergleichsweise leistungsstarken Elektromotor auf. Dieser dient beispielsweise dem direkten Vortrieb des Kraftfahrzeugs selbst und ist direkt oder indirekt mit Rädern des Kraftfahrzeugs gekoppelt. Hierbei werden bei Bestromung des Elektromotors die Räder des Kraftfahrzeugs angetrieben und das Kraftfahrzeug somit fortbewegt. Beispielsweise weist das Kraftfahrzeug lediglich den Elektromotor oder eine Anzahl derartiger Elektromotoren für den Vortrieb auf. Mit anderen Worten handelt es sich bei dem Kraftfahrzeug um ein Elektro-Kraftfahrzeug. Alternativ weist das Kraftfahrzeug zusätzlich einen Verbrennungsmotor auf, der beispielsweise ebenfalls mit den Rädern des Kraftfahrzeugs gekoppelt ist. In einer weiteren Alternative wird mittels des Verbrennungsmotors ein Generator zur Bereitstellung des elektrischen Stroms angetrieben, mittels dessen der Elektromotor betrieben ist. Somit handelt es sich bei dem Kraftfahrzeug um ein Hybrid-Kraftfahrzeug. Alternativ ist der Elektromotor ein Bestandteil eines Nebenaggregats des Kraftfahrzeugs, wie beispielsweise einer Pumpeinrichtung oder eines Klimakompressors. Hierbei wird mittels des Elektromotors ein Fluid bewegt oder komprimiert.
-
Bei Betrieb des Elektromotors entsteht aufgrund elektrischer Verluste eine Verlustwärme, die den Elektromotor aufheizt. Um eine Beschädigung des Elektromotors zu vermeiden, ist es daher erforderlich, geeignete Materialien zu wählen, die unempfindlich gegen eine erhöhte Betriebstemperatur sind. Dies führt zu erhöhten Herstellungskosten sowie einem erhöhten Platzbedarf. Zudem ist ein Wirkungsgrad meist verringert.
-
Alternativ wird der Elektromotor bei Betrieb gekühlt. Hierfür ist dieser beispielsweise mittels (Umgebungs-) Luft beaufschlagt, oder Luft wird durch Bestandteile des Elektromotors geführt. Dabei ist es erforderlich, dass eine vergleichsweise große Fläche des Elektromotors mit der Luft beaufschlagt wird, sodass ein Wärmeübertrag zwischen dem Elektromotor bzw. Bestandteilen des Elektromotors und der Kühlluft ermöglicht ist. Dies führt zu einem erhöhten Baumaß des Elektromotors, was beispielsweise bei beengten Platzverhältnissen, wie dies üblicherweise in einem Kraftfahrzeug vorhanden ist, nicht stets gegeben ist. Zudem ist eine Wärmeaufnahmekapazität von Umgebungsluft vergleichsweise gering, sodass ein vergleichsweiser großer Luftvolumenstrom zur Kühlung des Elektromotors herangezogen werden muss. Eine Alternative hierzu ist eine Flüssigkeitskühlung, wobei als Flüssigkeit meist Wasser herangezogen wird. Dabei sind Leitungen, die mit der Flüssigkeit befüllt sind, durch den Elektromotor verlegt, und die Wärme wird bei Betrieb auf die in den Leitungen geführte Flüssigkeit übertragen. Die erwärmte Flüssigkeit wird von dem Elektromotor weg geführt und in einem anderen Bereich des Kraftfahrzeugs abgekühlt, beispielsweise in einem Frontbereich mittels eines sogenannten Kühlers. Infolgedessen ist es erforderlich, eine vergleichsweise große Menge an Flüssigkeit zur Kühlung des Elektromotors mitzuführen, was einen Bauraum und ein Gewicht des Kraftfahrzeugs erhöht.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine besonders geeignete Vorrichtung sowie ein besonders geeignetes Kraftfahrzeug anzugeben, wobei vorteilhafterweise Herstellungskosten und/oder ein Gewicht reduziert sind.
-
Hinsichtlich der Vorrichtung wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Kraftfahrzeugs durch die Merkmale des Anspruchs 13 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
-
Die Vorrichtung umfasst einen drehbar um eine Rotationsachse gelagerten Rotor. Beispielsweise umfasst die Vorrichtung hierfür Lager, insbesondere Wälzlager, wie Kugel- oder Rollenlager. Zweckmäßigerweise weist die Vorrichtung zwei oder mehr derartige Lager auf. Der Rotor selbst umfasst einen Verdampfer, der der Kühlung weiterer Bestandteile des Rotors bei Betrieb dient. Bei Betrieb wird der Verdampfer somit ebenfalls zumindest teilweise um die Rotationsachse rotiert. Der Verdampfer dient der Kühlung und ist insbesondere geeignet, zweckmäßigerweise vorgesehen und eingerichtet, eine Flüssigkeit zu verdampfen, also insbesondere ein Kältemittel. Die Vorrichtung ist geeignet, insbesondere vorgesehen und eingerichtet, dass bei Betrieb eine flüssige Phase des Kältemittels zu dem Verdampfer geleitet und eine gasförmige Phase des Kältemittels von dem Verdampfer weg geleitet wird. Zweckmäßigerweise umfasst die Vorrichtung einen geschlossenen Kältemittelkreislauf. Alternativ hierzu weist die Vorrichtung einen oder mehr Anschlüsse auf, durch die bei Betrieb das Kältemittel zu dem Verdampfer und von diesem weg geleitet werden kann, die also fluidtechnisch mit diesem verbunden sind. Insbesondere ist der Verdampfer zum Verdampfen einer Flüssigkeit ausgestaltet. Bei Betrieb wird beispielsweise in dem Verdampfer das zugeführte Kältemittel vollständig verdampft. Besonders bevorzugt jedoch wird lediglich ein Teil des zugeführten Kältemittels, das insbesondere eine Flüssigkeit ist, mittels des Verdampfers verdampft, sodass ein Gemisch aus einer Flüssigkeit und einem Gas aus dem Verdampfer austritt. Hierbei ist die Flüssigkeit insbesondere ebenfalls erwärmt. Beispielsweise wird mehr als 40 %, 50 % 60 %, 70%, 80 % oder 90 % des zugeführten Kältemittels mittels des Verdampfers verdampft. Zweckmäßigerweise wird bei Betrieb zwischen 5 % und 90 %, zwischen 10 % und 50 % oder zwischen 15 % und 30 % des zugeführten Kältemittels mittels des Verdampfers verdampft.
-
Da der Verdampfer ein Bestandteil des Rotors ist, ist eine thermische Kopplung mit weiteren Bestandteilen des Rotors vereinfacht, sodass eine Kühlung der weiteren Bauteile des Rotors vereinfacht ist. Hierbei tritt auch kein Verlust aufgrund einer Reibung wegen der thermischen Kopplung auf. Wegen der Heranziehung eines Verdampfers, mittels dessen bei Betrieb ein Kältemittel verdampft wird, insbesondere eine Flüssigkeit, ist eine Kühlleistung erhöht. Infolgedessen ist ein Wärmeabtransport von dem Rotor verbessert, und es ist lediglich ein vergleichsweise geringes Volumen des Kältemittels erforderlich, was ein Gewicht der Vorrichtung sowie eines die Vorrichtung tragenden Bauteils verringert.
-
Die Vorrichtung ist zweckmäßigerweise ein Bestandteil einer elektrischen Maschine, wie eines Generators oder eines Elektromotors. Der Elektromotor ist zweckmäßigerweise ein Synchronmotor, beispielsweise ein Gleichstrommotor. Besonders bevorzugt ist der Elektromotor bürstenlos ausgestaltet und beispielsweise ein bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC). Der Rotor umfasst beispielsweise ein Blechpaket, an dem elektrische Spulen oder Permanentmagnete angebunden sind. Mittels des Verdampfers werden insbesondere das Blechpaket, etwaige Permanentmagneten oder etwaige Elektromagneten, insbesondere etwaige elektrische Spulen, bei Betrieb gekühlt. Infolgedessen ist ein Wirkungsgrad der elektrischen Maschine verbessert. Auch ist es ermöglicht, die elektrische Maschine mit einer vergleichsweise hohen Leistung zu betreiben.
-
Die elektrische Maschine ist vorzugsweise ein Bestandteil eines Kraftfahrzeugs. Beispielsweise dient hierbei die elektrische Maschine dem Vortrieb des Kraftfahrzeugs oder ist ein Bestandteil eines Nebenaggregats, wie einer Pumpe. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Vorrichtung eine Verbrennungskraftmaschine, eine Antriebswelle, eine Gelenkwelle, oder ein Zahnrad. Hierbei ist der Rotor beispielsweise die Welle selbst oder umfasst zumindest diese und/oder beispielsweise zusätzlich ein Zahnrad. Alternativ hierzu ist die Vorrichtung eine Gasturbine, ein Verdichterlaufrad, eine Rotorwelle, ein Turbinenlaufrad oder ein Pumpenlaufrad. Alternativ ist die Vorrichtung ein Impeller, ein rotierender Bohrer oder ein rotierender Fräser. Alternativ hierzu ist die Vorrichtung eine Zentrifuge oder ein Rühr-, Mischer- oder Mixereinsatz.
-
Das Kältemittel ist beispielsweise Wasser, Glykol oder ein Thermoöl. Insbesondere ist das Kältemittel auf die gewünschte Anwendung angepasst und derart gewählt, dass bei Betrieb ein Phasenübergang des Kältemittels in dem Verdampfer erfolgt. Insbesondere liegt die Verdampfungstemperatur des Kältemittels unterhalb der Betriebstemperatur des Rotors aber vorzugsweise oberhalb einer Umgebungstemperatur der Vorrichtung.
-
Besonders bevorzugt umfasst der Rotor eine Hohlwelle, die konzentrisch zur Rotationsachse angeordnet ist. Die Hohlwelle selbst ist ebenfalls um die Rotationsachse drehbar gelagert. Insbesondere umfasst der Rotor ein Blechpaket, welches die Hohlwelle zumindest abschnittsweise umgibt. Die Hohlwelle ist fluidtechnischen mit dem Verdampfer gekoppelt. Geeigneterweise wird bei Betrieb durch die Hohlwelle das Kältemittel geleitet, beispielsweise im flüssigen und oder gasförmigen Aggregatszustand. Infolgedessen sind ein Gewicht des Rotors und eine Trägheit verringert. Zudem ist aufgrund der Hohlwelle kein weiterer Bestandteil zur Führung des Kältemittels erforderlich, was Herstellungskosten und ein Gewicht weiter reduziert.
-
Beispielsweise ist ein Rohr innerhalb der Hohlwelle angeordnet, welches vorzugsweise rotationsfest an weiteren Bestandteilen der Vorrichtung angebunden ist. Das Rohr ist zum Beispiel hohl ausgestaltet und/oder konzentrisch zur Rotationsachse angeordnet. Durch das Rohr erfolgt vorzugsweise ein Einleiten des Kältemittels in die Hohlwelle. Zweckmäßigerweise ist zwischen dem Rohr und der Hohlwelle ein Spalt gebildet, in den bei Betrieb zumindest teilweise das Kältemittel einströmt.
-
Aufgrund des Rohrs ist ein Einleiten des Kältemittels in die Hohlwelle vereinfacht. Somit ist es ermöglicht, das Kältemittel an eine gewünschte Position innerhalb der Hohlwelle zu bringen, insbesondere in eine Nähe des Verdampfers. Somit ist ein Kältemitteldurchsatz verbessert. Wegen der konzentrischen Anordnung ist hierbei eine Montage vergleichsweise einfach. Da das Rohr rotationsfest ausgestaltet ist, ist eine Montage vereinfacht, und es ist keine zusätzliche Lagerung des Rohrs oder dergleichen erforderlich. Auch ist ein Einleiten des Kältemittels vereinfacht, insbesondere sofern dieses einem drehfesten Bereich entnommen wird.
-
Zum Beispiel mündete das Rohr in einem mittleren Bereich der Hohlwelle, sodass das Kältemittel im Wesentlichen ungehindert sämtliche Bereiche der Hohlwelle erreicht. Besonders bevorzugt jedoch ist die Hohlwelle endseitig verschlossen, und das Kältemittel reicht im Wesentlichen bis zu diesem Ende. Der Auslass ist zweckmäßigerweise von dem Ende beabstandet, sodass ein ungestörter Austritt des Kältemittels möglich ist. Somit ist ein Ausströmen des Kältemittels aus der Hohlwelle im Wesentlichen lediglich auf der dem geschlossenen Ende der Hohlwelle gegenüberliegenden Ende möglich und/oder über den Verdampfer. Daher wird bei Betrieb das Kältemittel über einen vergleichsweise großen Bereich des Rotors geführt, sodass eine Wärmeaufnahme verbessert ist. Auch ist eine Ausbildung von Leckagen oder parasitären Kältemittelströmen im Wesentlichen unterbunden.
-
Beispielsweise ist das Rohr durchgehend von der Hohlwelle beabstandet. Folglich kann sich das Kältemittel im Wesentlichen ungestört zwischen dem Rohr und der Hohlwelle ausbreiten. Vorzugsweise jedoch ist zwischen dem Rohr und der Hohlwelle eine Drossel angeordnet. Folglich sind zwei unterschiedliche Bereiche entlang der Hohlwelle in Axialrichtung gebildet, die mittels der Drossel fluidtechnisch zumindest teilweise getrennt sind. Mittels der Drossel ist es ermöglicht, einen Druck des Kältemittels auf unterschiedlichen Seiten der Drossel in Axialrichtung einzustellen, sodass eine Kühlfunktion verbessert ist. Somit ist insbesondere ein zusätzliches Förderelement zum Bewegen des Kältemittels nicht erforderlich.
-
Die Drossel ist insbesondere durchlässig für das Kältemittel oder vollständig geschlossen. Mit anderen Worten ist es ermöglicht, mittels der Drossel eine Durchströmgeschwindigkeit zwischen dem Rohr und der Hohlwelle einzustellen, zumindest bei Fertigung der Vorrichtung. Die Drossel ist beispielsweise ein Spalt, eine Labyrinthdichtung oder ein Wellendichtring. Besonders bevorzugt ist die Drossel ein Wälzlager, insbesondere ein Nadelwälzlager, oder umfasst dieses. Somit wird die Hohlwelle mittels des Rohrs zentriert und radial gestützt.
-
Beispielsweise ist der Verdampfer zumindest teilweise innerhalb der Hohlwelle angeordnet. Insbesondere wird hierbei mittels der Innenwand der Hohlwelle der Verdampfer zumindest teilweise gebildet. Mit anderen Worten wird das Kältemittel im Bereich einer Innenwand der Hohlwelle verdampft.
-
In einer weiteren Alternative ist der Verdampfer bezüglich der Hohlwelle in einer Radialrichtung nach außen versetzt. Insbesondere ist der Verdampfer innerhalb eines Blechpakets des Rotors angeordnet, sofern dieses vorhanden ist. Geeigneterweise befindet sich der Verdampfer im Bereich einer vergleichsweise bei Betrieb großen Aufheizung des Rotors, beispielsweise im Bereich von Schneidkanten, sofern die Vorrichtung eine Fräsvorrichtung oder dergleichen ist. Vorzugsweise befindet sich der Verdampfer im Bereich eines Magneten, beispielsweise eines Elektro- oder Permanentmagneten, sofern die Vorrichtung eine elektrische Maschine ist. Aufgrund des radial nach außen Versetzens des Verdampfers ist eine Kühlung der sich bei Betrieb erhitzenden Bauteile des Rotors verbessert. Vorzugsweise umfasst der Rotor mehrere derartige Verdampfer, die insbesondere drehsymmetrisch bezüglich der Rotationsachse angeordnet sind. Infolgedessen ist eine Ausbildung einer Unwucht verhindert oder zumindest verringert.
-
Der Verdampfer weist zweckmäßigerweise einen Einlass und einen Auslass auf, die beide insbesondere in der Hohlwelle münden. Zum Beispiel sind der Einlass und der Auslass in einer axialen Richtung, also parallel zur Rotationsachse, zueinander versetzt. Bei Betrieb wird über den Einlass das flüssige Kältemittel in den Verdampfer eingeleitet und über den Auslass das gasförmige Kältemittel in die Hohlwelle eingebracht. Aufgrund der Zentrifugalkräfte schlägt sich das Kältemittel an einer Innenwand der Hohlwelle nieder und wird von dort zu dem Einlass des Verdichterkopfs gedrückt. Aufgrund der verringerten Dichte der gasförmigen Phase des Kältemittels wird dieses in einen radial inneren Bereich der Hohlwelle befördert, was ein Ausleiten aus der Hohlwelle erleichtert. Geeigneterweise weisen die Verdampfer, sofern mehrere vorhanden sind, den gleichen Abstand zur Rotationsachse auf. Infolgedessen ist eine im Wesentlichen gleichmäßige Kühlleistung und Abkühlung des Rotors ermöglicht.
-
Beispielsweise weist der Rotor mehrere Verdampfer und eine umlaufende Ringnut auf. Die Ringnut ist zweckmäßigerweise in die Innenwand der Hohlwelle eingebracht. Beispielsweise münden die Einlässen der Verdampfer in die Ringnut. Alternativ oder in Kombination hierzu sind die Verdampfer unabhängig von den Einlässen fluidtechnisch mittels der Ringnut verbunden. Auf diese Weise ist eine im Wesentlichen gleichmäßige Versorgung der Verdampfer ermöglicht, auch falls diese einen unterschiedlichen Abstand zur Rotationsachse aufweisen.
-
Besonders bevorzugt weist der Rotor einen Ringkanal auf, der konzentrisch zur Rotationsachse ist. Der Ringkanal selbst ist fluidtechnisch mit der Hohlwelle verbunden, beispielsweise mittels Versorgungsleitungen, die insbesondere als Rohre ausgestaltet sind. Die Versorgungsleitungen verlaufen vorzugsweise im Wesentlichen radial. Die Versorgungsleitungen und der Ringkanal bilden hierbei insbesondere die Einlässe der Verdampfer. Mittels des Ringkanals ist hierbei sichergestellt, dass mittels jedes Verdampfers im Wesentlichen die gleiche Menge an Kältemittel verdampft wird, sodass Unwuchten vermieden sind. Hierbei ist beispielsweise zumindest ein Teil der Verdampfer in unterschiedlichem Abstand zur Rotationsachse angeordnet.
-
Geeigneterweise weist die Innenwand der Hohlwelle eine Riefe auf, die zweckmäßigerweise wendelförmig ausgestaltet ist. Mit anderen Worten ist die Riefe schraubenlinienartig. Beispielsweise umfasst die Innenwand lediglich eine derartige Riefe, die insbesondere als Nut oder als Rille ausgestaltet ist. Alternativ hierzu weist die Innenwand mehrere derartige Riefen auf, die vorzugsweise im Wesentlichen die gleiche Steigung aufweisen. Mittels der Riefe erfolgt bei einer Rotation der Hohlwelle um die Rotationsachse ein Fördern des Kältemittels entlang der Innenwand in der axialen Richtung. Hierbei wird das Kältemittel vorzugsweise zu dem Einlass des Verdampfers geleitet, welcher sich beispielsweise in der axialen Richtung von einem Ende der Hohlwelle versetzt befindet. Aufgrund der Riefe ist dabei eine im Wesentlichen konstante Förderung des Kältemittels zu dem Verdichter ermöglicht.
-
Alternativ oder besonders bevorzugt in Kombination hierzu weist die Hohlwelle zwischen dem Einlass und dem Auslass einen radial nach innen vorspringenden Kragen auf, auch insbesondere als umlaufender Steg bezeichnet. Hierbei sind der Einlass und der Auslass zweckmäßigerweise in einer axialen Richtung, also parallel zur Rotationsachse, zueinander versetzt. Aufgrund des Kragens/umlaufenden Stegs ist ein Fördern des Kältemittels zu dem Auslass vermieden, was eine Funktionsweise des Verdampfers verbessert und einen im Wesentlichen ungestörten Austritt des gasförmigen Kältemittels aus dem Verdampfer ermöglicht. Insbesondere weist der Kragen/Steg eine Ausdehnung in radialer Richtung auf, die geringer ist als die Hälfte, oder ein Viertel des Innenradius der Hohlwelle. Somit ist ein Übertritt der flüssigen Phase des Kältemittels über den Kragen/Steg vergleichsweise sicher vermieden, wobei ein Gewicht der Hohlwelle nicht übermäßig erhöht ist.
-
Alternativ hierzu ist die Innenwand der Hohlwelle konisch ausgestaltet. Mit anderen Worten ist die Innenwand nicht parallel zur Rotationsachse sondern geneigt hierzu. Insbesondere ist die Aussparung der Hohlwelle somit kegelstumpfförmig. Dabei ist zweckmäßigerweise der Einlass des Verdampfers im Bereich des vergrößerten Innenradius der Hohlwelle angeordnet, sodass bei Betrieb der Vorrichtung aufgrund der Zentrifugalkräfte das Kältemittel entlang der Innenwand zu dem Einlass befördert wird. Wegen einer derartigen Ausgestaltungsform der Hohlwelle ist auch bei einem Start der Vorrichtung stets sichergestellt, dass das Kältemittel zu dem Verdichter gefördert wird.
-
Vorzugsweise ist ein Wärmetauscher fluidtechnisch mit der Hohlwelle gekoppelt. Mittels des Wärmetauschers erfolgt insbesondere ein Auskondensieren des Kältemittels, sodass bei Betrieb das Kältemittel mittels des Wärmetauschers in den flüssigen Zustand überführt wird. Der Wärmetauscher wirkt somit insbesondere als (klimatechnischer) Kondensator. Insbesondere ist bei Betrieb der Wärmetauscher mit einer Umgebungsluft oder einem sonstigen Fluid beaufschlagt, sodass von dem Wärmetauscher die Energie von dem Kältemittel an das Fluid abgegeben wird. Insbesondere ergibt sich hierbei eine Druckdifferenz zwischen dem Wärmetauscher und der Hohlwelle und/oder dem Verdampfer, sodass das gasförmige Kältemittel von der Hohlwelle/Verdampfer zu dem Wärmetauscher geleitet wird. Geeigneterweise ist die Druckdifferenz derart eingestellt, dass lediglich der gasförmige Anteil des Kältemittels zu dem Wärmetauscher geleitet wird. Der flüssige Anteil des Kältemittels wird vorzugsweise aufgrund der Zentrifugalkräfte an die Innenwand der Hohlwelle gepresst und von dort zweckmäßigerweise zu dem Einlass des Verdampfers. Infolgedessen ist keine weitere Fördereinrichtung zur Beförderung des Kältemittels erforderlich, was ein Gewicht und Herstellungskosten reduziert. Alternativ hierzu wird auch der flüssige Anteil des Kältemittels zu dem Wärmetauscher geleitet, wobei dieser beispielsweise aufgrund einer Kühlwirkung erwärmt ist. Mittels des Wärmetauschers wird somit auch der flüssigen Phase (Anteil) des Kältemittels thermische Energie entzogen und somit das Kältemittel gekühlt.
-
Der Wärmetauscher weist beispielsweise eine vergleichsweise große Oberfläche auf, über die das Kältemittel streicht und zumindest teilweise auskondensiert. Die Oberfläche ist thermisch mit einer Temperatursenke gekoppelt und beispielsweise mit einem weiteren Kühl- oder Kältemittel beaufschlagt. Insbesondere ist die Oberfläche thermisch mit einer Umgebung eines etwaigen vorhandenen Kraftfahrzeugs gekoppelt.
-
Alternativ hierzu ist der Wärmetauscher beispielsweise ein Einsprudler oder umfasst diesen. Der Einsprudler weist ein Rohr auf, das in einem Ausgleichsbehälter mündet. Die Mündung ist insbesondere mittels eines Elements versehen, welches eine Sprudelwirkung hervorruft. Hiermit wird bei Betrieb das gasförmige Kältemittel zweckmäßigerweise über einen vergleichsweise großen Bereich verteilt. Bei Betrieb ist der Ausgleichsbehälter bis über das Element mit der flüssigen Phase des Kältemittels bedeckt. Daher wird beim Einleiten der gasförmigen Phase des Kältemittels durch das Rohr die gasförmige Phase des Kältemittels mittels des Elements zu Blasen aufgeteilt und in die flüssige Phase eingeleitet. Dort steigen die Blasen der gasförmigen Phase zur Oberfläche der flüssigen Phase. Bei der Bewegung durch die flüssige Phase des Kältemittels wird von der gasförmigen Phase aufgrund der vergleichsweise großen Oberfläche der Blasen Wärme an die flüssige Phase vergleichsweise effizient abgegeben, und die gasförmige Phase kondensiert somit aus. Die flüssige Phase des Kältemittels gibt die eingetragene Energie zweckmäßigerweise über eine vergleichsweise große Oberfläche des Ausgleichsbehälters an die Umgebung ab.
-
Zweckmäßigerweise weist die Vorrichtung ein Gehäuse auf, innerhalb dessen der Rotor angeordnet ist. Insbesondere ist das Gehäuse im Wesentlichen hohlzylindrisch ausgestaltet, und die Vorrichtung ist vorzugsweise ein Bestandteil einer elektrischen Maschine. Zum Beispiel ist hierbei das Gehäuse endseitig verschlossen, geeigneterweise jeweils mittels eines Lagerschilds. An dem Lagerschild oder zumindest an dem Gehäuse ist vorzugsweise das etwaige Lager angebunden, mittels dessen der Rotor drehbar gelagert ist. Beispielsweise ist das Gehäuse aus einem Aluminium erstellt. Mittels des Gehäuses ist der Rotor vor Umwelteinflüssen und einer sonstigen Beschädigungen geschützt.
-
Das Gehäuse weist vorzugsweise den Wärmetauscher auf. Insbesondere ist ein Teil des Wärmetauschers thermisch mit einer Außenseite des Gehäuses und ein weiterer Teil thermisch mit der Innenseite des Gehäuses kontaktiert. Vorzugsweise ist das Gehäuse fluidtechnisch verschlossen. Infolgedessen wird das Kältemittel im Wesentlichen innerhalb des Gehäuses bewegt, beispielsweise frei oder mittels Leitungen. Geeigneterweise erfolgt bei Betrieb ein Zuleiten des an dem Wärmetauscher auskondensierten Kältemittels zu der Hohlwelle und/oder ein Ableiten einer gasförmigen Phase des Kältemittels aus der Hohlwelle zu dem Wärmetauscher. Aufgrund des Gehäuses, das den Wärmetauscher aufweist, ist es ermöglicht, die Vorrichtung im Wesentlichen fluiddicht auszugestalten, was eine Montage der Vorrichtung erleichtert. Auch ist eine Ausbildung von Leckagen aufgrund einer fehlerhaften Montage oder einer fehlerhaften Zuleitung oder Ableitung verhindert. Zudem ist eine Wartungsfreundlichkeit erhöht. In einer Alternative hierzu ist beispielsweise ein Zufluss oder Abfluss in das Gehäuse angebracht, durch welches bei Betrieb das Kältemittel in das Gehäuse und vorzugsweise zu dem Rotor bzw. von diesem weg geführt wird. Infolgedessen sind Herstellungskosten der Vorrichtung verringert.
-
Insbesondere ist der Wärmetauscher fluidtechnisch mit einem Auffangbecken verbunden, wobei das Gehäuse zweckmäßigerweise das Auffangbecken aufweist. Zum Beispiel ist das Auffangbecken mittels einer Vertiefung des Gehäuses gebildet. Infolgedessen wird bei Betrieb das an dem Wärmetauscher auskondensierte Kältemittel, insbesondere gravimetrisch, zu dem Auffangbecken geleitet, sodass eine vergleichsweise effiziente Abkühlung des Kältemittels mittels des Wärmetauschers ermöglicht ist. Das Auffangbecken selbst ist fluidtechnisch mit der Hohlwelle verbunden. Insbesondere ist das Auffangbecken mittels einer Pumpvorrichtung, wie einer Pumpe, fluidtechnischen mit der Hohlwelle verbunden. Mit anderen Worten wird bei Betrieb mittels der Pumpe das Kältemittel von dem Auffangbecken in die Hohlwelle gepumpt. Beispielsweise ist die Pumpe ein separates Bauteil und weist beispielsweise einen Elektromotor auf. Besonders bevorzugt jedoch ist die Pumpe, vorzugsweise ein rotatorisches Förderelement der Pumpe, an der Hohlwelle angebunden, sodass bei einer Rotationsbewegung des Rotors um die Rotationsachse ebenfalls das Kältemittel vom dem Auffangbecken in die Hohlwelle gepumpt wird.
-
Alternativ hierzu erfolgt die Kopplung mittels eines Schleuderrads, wobei das Schleuderrad vorzugsweise an der Hohlwelle angebunden ist. Das Schleuderrad verläuft zumindest teilweise in dem Auffangbecken, sodass bei einer Rotationsbewegung des Schleuderrads um die Rotationsachse zumindest ein Teil des Kältemittels mittels des Schleuderrad aus dem Auffangbecken gefördert wird.
-
Insbesondere erfolgt mittels des Schleuderrads ein Verbringen des Kältemittels an eine Innenwand des Gehäuses und von dort in die Hohlwelle, beispielsweise aufgrund einer Gravitationswirkung. Geeigneterweise wird hierbei das Kältemittel an einer Innenwand des Gehäuses zu einem Trichter oder dergleichen geführt, welcher das Kältemittel in die Hohlwelle einleitet.
-
Zusammenfassend ist das Auffangbecken fluidtechnisch mit der Hohlwelle verbunden, wobei das von dem Auffangbecken in die Hohlwelle geförderte Kältemittel zu dem Einlauf des Verdampfers gefördert wird. Hierbei wird, beispielsweise aufgrund einer speziellen Ausgestaltung der Hohlwelle, insbesondere mittels der Riefe und/oder der konischen Ausgestaltung, das Kältemittel zu dem Verdampfer gefördert. Folglich strömt das Kältemittel von dem Auffangbecken über die (Hohl-)Welle zu dem Einlass des Verdampfers, wobei beispielsweise mittels der etwaigen Pumpvorrichtung, insbesondere der Pumpe oder des Schleuderrads, oder aufgrund einer Gravitationswirkung das Kältemittel zu dem Verdampfer gefördert wird.
-
In einer Alternative ist ein etwaiger Wärmetauscher unabhängig von der Vorrichtung vorhanden, und diese weist lediglich einen Einlass und/oder Auslass auf, der fluidtechnisch mit der Hohlwelle gekoppelt ist. Insbesondere ist hierbei ein Rohr vorhanden, welches in der Hohlwelle zumindest teilweise angeordnet ist, und welches vorzugsweise mit einem Einlass des Gehäuses fluidtechnisch gekoppelt ist. Zweckmäßigerweise weist das Rohr eine Düse auf, mittels derer das Kältemittel in die Hohlwelle eingespritzt wird. Beispielsweise ist das Rohr hierbei drehfest.
-
In einer weiteren Alternative ist die Hohlwelle endseitig geschlossen. Zweckmäßigerweise ist die Hohlwelle fluidtechnisch dicht, insbesondere lediglich mit Ausnahme des Einlass und des Auslasses des Verdampfers. Infolgedessen ist das Kältemittel im Wesentlichen innerhalb des Rotors gehalten, geeigneterweise innerhalb der Hohlwelle. Infolgedessen ist lediglich ein Bewegen des Kältemittels zwischen der Hohlwelle und dem Verdampfer ermöglicht und erforderlich. Folglich ist die benötigte Menge an Kältemittel vergleichsweise gering, was ein Gewicht weiter reduziert. Auch ist eine Montage vergleichsweise einfach und ein Ausbilden von ungewollten Leckagen im Wesentlichen verhindert. Hierbei ist ein Wärmetauscher an einem der Enden der Hohlwelle drehfest angebunden. Mit anderen Worten wird der Wärmetauscher bei Betrieb mit der Hohlwelle mit gedreht. Der Wärmetauscher ist beispielsweise ein Bestandteil des Rotors oder ein hiervon separates Bauteil. Insbesondere ist der Wärmetauscher einstückig mit weiteren Bestandteilen des Rotors und/oder der Hohlwelle. Der Wärmetauscher ist geeigneterweise thermisch mit der Hohlwelle kontaktiert, insbesondere der Innenwand. Infolgedessen erfolgt im Bereich des Wärmetauschers ein Abkühlen des Kältemittels, sodass dieses auskondensiert wird. Alternativ ist der Wärmetauscher innerhalb der Hohlwelle angeordnet und drehfest mit dieser verbunden.
-
Geeigneterweise ist der Wärmetauscher außerhalb eines etwaigen Gehäuses der Vorrichtung angeordnet. Vorzugsweise erfolgt bei Betrieb ein Beaufschlagen des Wärmetauschers mit einem Fluid, zweckmäßigerweise Umgebungsluft. Der Wärmetauscher selbst weist vorzugsweise eine vergleichsweise große Oberfläche auf, vorzugsweise Kühlrippen, die insbesondere konzentrisch zur Rotationsachse und vorzugsweise rotationssymmetrisch oder zumindest drehsymmetrisch bezüglich dieser angeordnet sind. Alternativ oder in Kombination hierzu werden die Kühlrippen mit einer Flüssigkeit beaufschlagt, insbesondere einer Kühlflüssigkeit, wie Wasser, oder zwischen die Kühlrippen eingebracht. Infolgedessen erfolgt eine Abkühlung des Wärmetauschers, weswegen Energie von dem Kältemittel abgeführt wird. Aufgrund der drehfesten Anbindung an der Hohlwelle ist ein Ausbilden von Leckagen im Wesentlichen verhindert.
-
Insbesondere ist der Wärmetauscher ein Förderelement für ein Fluid, beispielsweise Luft oder eine Flüssigkeit, wie Wasser oder dergleichen. Mit anderen Worten wird bei Betrieb mittels der Vorrichtung ein Fluid gefördert, beispielsweise ein Gas, wie Umgebungsluft, oder eine Flüssigkeit, wie zweckmäßigerweise Wasser. Vorzugsweise ist das Förderelement als Pumpenrad ausgestaltet. Die Vorrichtung ist somit ein Bestandteil einer Pumpe oder bildet diese zumindest teilweise. Infolgedessen wird die mittels des Kältemittels von dem Verdampfer abtransportiert Wärme auf das zu fördernde Fluid übertragen und von diesem von der Vorrichtung weggeführt, was eine Kühlleistung weiter verbessert. Auch ist beispielsweise eine Aufheizung des Fluid ermöglicht, sofern dies gewünscht ist.
-
Beispielsweise weist der Verdampfer eine Düse oder dergleichen auf, mittels dessen ein Verdampfen des Kältemittels erfolgt. Besonders bevorzugt umfasst der Verdampfer eine vergrößerte Oberfläche. Geeigneterweise ist der Verdampfer lediglich mittels der vergrößerten Oberfläche gebildet, was Herstellungskosten reduziert. Alternativ hierzu umfasst der Verdampfer weitere Bestandteile, wie die Düse. Die vergrößerte Oberfläche ist insbesondere mittels einer Aufrauhung oder Einbringung einer Struktur gebildet. Mit anderen Worten ist die Oberfläche aufgeraut. Die vergrößerte Oberfläche ist insbesondere mittels einer Faserstruktur, einer (Pulver-)Beschichtung, einer Schaumstruktur, oder einer Stäbchenstruktur oder Lamellen erstellt, geeigneterweise im Millimeter- oder Mikrometerbereich. Mit anderen Worten ist die Struktur im Wesentlichen erratisch oder weist eine bestimmte vorgegebene geometrische Figur auf. Das Pulver bzw. der Schaum oder die sonstige Struktur ist beispielsweise aus einem Metall erstellt, was eine Wärmeleitung verbessert. Aufgrund der vergrößerten bzw. aufgerauten Oberfläche erfolgt eine erhöhte flächenspezifische Verdampfungsrate, z. B. mittels Blasensieden des Fluides, was eine Kühlfunktion verbessert.
-
Alternativ oder in Kombination hierzu ist der Verdampfer im Inneren einer hohlen elektrischen Leitung, vorzugsweise im Inneren eines hohlen Wicklungsdrahtes angeordnet, und der Wicklungsdraht ist zweckmäßigerweise ein Bestandteil einer elektrischen Spule, also vorzugsweise eines Elektromagneten. Bei Betrieb erfolgt insbesondere eine Bestromung des hohlen Wicklungsdrahtes. Hierbei erfolgt eine Erwärmung aufgrund von elektrischen Verlusten. Diese Erwärmung wird mittels des Verdampfers verhindert oder zumindest begrenzt. Geeigneterweise bildet die Innenwand des hohlen Wicklungsdrahtes zumindest teilweise den Verdampfer. Zum Beispiel ist die Oberfläche der Innenwand vergrößert, beispielsweise mittels Aufrauen des Wicklungsdrahtes an dessen Innenseite oder mittels Einbringung einer Beschichtung, insbesondere eines Pulvers oder einer Schaumstruktur. Alternativ oder besonders bevorzugt in Kombination hierzu weist der Wicklungsdraht kapillare Röhren auf. Hierbei erfolgt eine Verteilung und Förderung des Kältemittels mittels des Kapillareffekts und folglich eine vergleichsweise effiziente Kühlung des Rotors.
-
Besonders bevorzugt weist der etwaig vorhandene Wärmetauscher eine vergrößerte oder aufgeraute Oberfläche auf, die beispielsweise mittels einer Metallpulverbeschichtung oder einer sonstigen Pulverbeschichtung oder einer erhöhten Oberflächenrauheit erstellt ist. Alternativ hierzu ist die Oberfläche mittels einer Faserstruktur, einer Schaumstruktur, einer Stäbchenstruktur oder Lamellen erstellt, die jeweils beispielsweise aus einem Metall erstellt sind. Insbesondere sind die Strukturen aus einem Metall erstellt. Infolgedessen ist eine flächenspezifische Kondensationsrate des Wärmetauschers verbessert.
-
Das Kraftfahrzeug weist eine Vorrichtung mit einer elektrischen Maschine auf. Die elektrische Maschine ist beispielsweise ein Generator oder ein Elektromotor, und die Vorrichtung umfasst einen drehbar um eine Rotationsachse gelagerten Rotor. Der Rotor umfasst einen Verdampfer. Der Verdampfer dient hierbei bei Betrieb der Kühlung weiterer Bestandteile des Rotors, insbesondere eines Blechpakets oder etwaigen elektrische Spulen der elektrischen Maschine. Die elektrische Maschine umfasst vorzugsweise ferner einen Stator. Zum Beispiel bildet die Vorrichtung die elektrische Maschine.
-
Vorzugsweise ist der Elektromotor ein Bestandteil eines Hauptantriebs des Kraftfahrzeugs und ist mit Rädern des Kraftfahrzeugs in Wirkverbindung. Beispielsweise ist der Elektromotor direkt oder indirekt, mittels eines Getriebes, mit den Rädern des Kraftfahrzeugs gekoppelt. Zum Beispiel ist jedem der Räder des Kraftfahrzeugs oder zumindest jedem der Antriebsräder des Kraftfahrzeugs ein derartiger Elektromotor zugeordnet. Alternativ hierzu ist lediglich ein einziger derartiger Elektromotor mit den Antriebsrädern des Kraftfahrzeugs in Wirkverbindung. In einer weiteren Alternative ist der Elektromotor ein Bestandteil eines Nebenaggregats des Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Pumpenantriebs oder eines elektromotorischen Kältemittelverdichters. Mittels des elektromotorischen Kältemittelverdichters wird geeigneterweise eine Klimaanlage für eine Temperierung eines Innenraums des Kraftfahrzeugs oder zur Kühlung von etwaigen Batterien des Kraftfahrzeugs, insbesondere eine Hochvoltbatterie, betrieben.
-
Die im Zusammenhang mit der elektrischen Maschine eines Kraftfahrzeugs ausgeführten Weiterbildungen und Vorteile sind sinngemäß auch auf das Kraftfahrzeug zu übertragen und umgekehrt.
-
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
- 1 schematisch ein Kraftfahrzeug mit einem Elektromotor,
- 2 in einer Schnittdarstellung längs einer Rotationsachse eine Vorrichtung des Elektromotors, mit einem um die Rotationsachse drehbar gelagerten Rotor, der mehrere Verdampfer aufweist,
- 3 die Vorrichtung im Längsschnitt,
- 4 - 6 schematisch unterschiedliche Ausführungsformen der Verdampfer,
- 7 - 9 gemäß 2 unterschiedliche Ausführungsformen der Vorrichtung,
- 10-12 gemäß 2 unterschiedliche Ausführungsformen einer Hohlwelle der Vorrichtung
- 13 - 16 gemäß 2 unterschiedliche Ausführungsformen eines Wärmetauschers der Vorrichtung,
- 17 - 21 gemäß 2 unterschiedliche Ausführungsformen einer Zuführung eines Kältemittels zu den Verdampfern,
- 22 - 25 gemäß 2 unterschiedliche Ausführungsformen der Vorrichtung und
- 26, 27 jeweils schematisch vereinfacht einen Wärmetauscher.
-
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
-
In 1 ist schematisch in einer Seitenansicht vereinfacht ein Kraftfahrzeug 2 mit einer Karosserie 4 dargestellt. Das Kraftfahrzeug 2 umfasst zwei Antriebsräder 6 und zwei weitere Räder 8, von denen jeweils lediglich eines dargestellt ist. Die Räder 8 befinden sich in einem Frontbereich des Kraftfahrzeugs 2 und sind lenkbar ausgestaltet, und die Antriebsräder 6 bilden die beiden hinteren Räder des Kraftfahrzeugs 2. Mittels der Antriebsräder 6 und der Räder 8 ist die Karosserie 4 von einem nicht näher dargestellten Boden beabstandet, insbesondere einer Straße.
-
Das Kraftfahrzeug 2 weist ein Hochvoltbordnetz 10 auf, welches mittels einer Hochvoltbatterie 12 gespeist ist, mittels derer eine elektrische Gleichspannung von im Wesentlichen 400 Volt oder 800 Volt bereitgestellt ist. Das Hochvoltbordnetz 10 ist mit einem Antrieb 14 elektrisch kontaktiert, welcher folglich mittels des Hochvoltbordnetzes 10 gespeist wird. Der Antrieb 14 weist einen Umrichter 16 auf, der an das Hochvoltbordnetz 10 elektrisch angeschlossen ist. Mittels des Umrichters 16 ist ein bürstenloser Elektromotor 18 betrieben, welcher in Wirkverbindung mit den Antriebsrädern 6 ist. Folglich wird mittels des Umrichters 16 eine Drehzahl des bürstenlosen Elektromotors 18 und somit eine Drehzahl der Antriebsräder 6 eingestellt, insbesondere geregelt. Infolgedessen erfolgt eine Einstellung der Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs 2 mittels des Umrichters 16.
-
In 2 ist in einer Schnittdarstellung längs einer Rotationsachse 20 eine Vorrichtung 22 des Elektromotors 18 ausschnittsweise gezeigt. Der Elektromotor 18 weist somit die Vorrichtung 22 sowie weitere, nicht gezeigte Bauteile auf, wie eine Sicherungseinrichtung. Alternativ hierzu bildet die Vorrichtung 22 den Elektromotor 18 vollständig. Die Vorrichtung 22 weist einen Rotor 24 mit einem Welle 26 auf, die als Hohlwelle ausgestaltet und konzentrisch zur Rotationsachse 20 angeordnet ist. Hierbei erstreckt sich die Welle 26 entlang der Rotationsachse 20. Die Welle 26 ist abschnittsweise umfangsseitig mittels eines Blechpakets 28 umgeben, welches eine Anzahl von nicht näher dargestellten Permanentmagneten aufweist. Alternativ hierzu ist in dem Blechpaket 28 eine Anzahl an Elektromagneten eingebettet, die jeweils mittels einer elektrischen Spule erstellt sind.
-
Das Blechpaket 28 ist drehfest an der Welle 26 angebunden. In dem Blechpaket 28 ist eine Anzahl an Verdampfern 30 eingebettet, wie in 3 in einer Frontdarstellung schematisch gezeigt. Hierbei sind die Verdampfer 30 in einer radialen Richtung bezüglich der Welle 26 nach außen versetzt, wobei jeweils ein Einlass 32 und ein Auslass 34 des Verdampfers 30 fluidtechnischen mit der (Hohl-)Welle 26 verbunden sind und in diese münden. Bei Betrieb wird in die Hohlwelle 26 ein Kältemittel 36, welches z.B. Wasser oder ein niedriges siedendes Fluid ist, eingeleitet. Hierbei ist das Kältemittel 36 flüssig. Aufgrund einer Rotationsbewegung der Hohlwelle 26 wird dieses an eine Innenwand 38 der Hohlwelle 26 bewegt und von dort über die Einlässe 32 zu den radial nach außen versetzten Verdampfen 30. Dort wird das Wasser verdampft und somit in die gasförmige Phase überführt. Das gasförmige Kältemittel 36 wird anschließend über die Auslässe 34 aufgrund des herrschenden Drucks erneut in die Hohlwelle 26 gesaugt, wobei aufgrund der verringerten Dichte die gasförmige Phase des Kältemittels 36 sich in einem radial inneren Bereich der Hohlwelle 26 sammelt. Von dort wird die gasförmige Phase abgeleitet. Aufgrund des Verdampfens des Kältemittels 36 erfolgt ein Wärmeentzug des Blechpakets 28, welches thermisch mit den Verdampfer 30 gekoppelt ist. Folglich erfolgt eine Kühlung des Rotors 24, sodass der Elektromotor 18 auch mit einer vergleichsweise großen Leistung betrieben werden kann.
-
In 4 ist eine Ausführungsform des Verdampfers 30 schematisch vereinfacht gezeigt. Hierbei mündet der Einlass 32 in einem Verdampferkörper 40 der im Wesentlichen quaderförmig ausgestaltet oder an die umgebende, zu kühlende Geometrie angepasst ist. Der Einlass 32 ist zu einer vergleichsweise weit radial außen liegenden Innenwand des Verdampferkörpers 40 geführt.
-
In 5 ist eine alternative Ausführungsform des Verdampfers 30 gezeigt. Hierbei geht der Einlass 32 in einen mäanderförmig ausgestalteten Zwischenteil 42 über, welche in den Auslass 34 mündet. Das Zwischenteil 42 ist leitungsförmig an die umgebende, zu kühlende Geometrie angepasst ausgestaltet und weist eine vergrößerte Innenoberfläche auf, welche mittels einer Pulverbeschichtung aus einem Metall erstellt ist. Infolgedessen ist ein Wärmeübertrag zwischen dem Kältemittel 36 und dem Blechpaket 28 verbessert.
-
In einer nicht näher dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist das Zwischenstück 42 mittels einer elektrischen Spule des Rotors 24 bildet. Somit wird mittels des Zwischenstücks 42 ein elektrischer Strom geführt, und das Zwischenstück 42 wird aufgrund von elektrischen Verlusten aufgeheizt. Aufgrund des Verdampfens des Kältemittels 36 erfolgt eine Kühlung, sodass der Elektromotor 18 auch mit einer vergleichsweise hohen Leistung betrieben werden kann.
-
In 6 ist eine weitere alternative Ausführungsform des Verdampfers 30 gezeigt, der ebenfalls wiederum den Verdampferkörper 40 aufweist, in denen jedoch zwei Einlässe 32 münden, die bezüglich des Auslasses 34 radial nach außen versetzt sind. Hierbei weist jeder der Einlässe 32 jeweils eine Düse auf, mittels derer eine Verdampfung oder Verteilung des Kältemittels 36 erfolgt. Aufgrund der beiden Einlässe 32 ist ein benötigter Druck zur Verdampfung verringert. Beispielsweise weist der Rotor 24 eine umlaufende Ringnut auf. Die Ringnut ist hierbei zweckmäßigerweise in die Innenwand der Hohlwelle 26 eingebracht. Beispielsweise münden die Einlässe 32 der Verdampfer 30 in die Ringnut. Alternativ hierzu sind die Verdampfer 30 unabhängig von den Einlässen 32 fluidtechnisch mittels der Ringnut verbunden. Auf diese Weise ist eine im Wesentlichen gleichmäßige Versorgung der Verdampfer 30 ermöglicht, auch falls diese einen unterschiedlichen Abstand zur Rotationsachse 38 aufweisen. Besonders bevorzugt weist der Rotor 24 einen Ringkanal auf, der konzentrisch zur Rotationsachse 20 ist. Der Ringkanal selbst ist fluidtechnisch mit der Hohlwelle 26 verbunden, beispielsweise mittels Versorgungsleitungen, die insbesondere als Rohre ausgestaltet sind. Die Versorgungsleitungen verlaufen vorzugsweise im Wesentlichen radial. Geeigneterweise ist die Anzahl der Versorgungsleitungen unabhängig von der Anzahl der Verdampferkörper 40. Die Verdampferkörper 40 sind mittels des Ringkanals fluidtechnisch miteinander gekoppelt, der folglich zumindest teilweise die Einlässe 32 bildet.
-
In 7 ist die Vorrichtung 22 nochmals dargestellt, wobei die Welle 26 detaillierter gezeigt ist. Die Welle 26 ist endseitig verschlossen und der Einlass 32 und der Auslass 34 jedes Verdampfers 30 sind in axialer Richtung zueinander beabstandet, wobei die Auslässe 34 in Richtung des verschlossenen Endes der Hohlwelle 26 versetzt sind. Zwischen diesen ist ein radial nach innen vorspringenden Kragen 44 (umlaufender Steg) angeordnet, mittels dessen ein Übertritt der flüssigen Phase des Kältemittels 36, welches aufgrund der Zentrifugalkräften an der Innenwand 38 der Hohlwelle 26 anliegt, zu den Auslässen 34 verhindert ist. Infolgedessen ist ein ungehinderter Austritt der gasförmigen Phase des Kältemittels 36 durch die Auslässe 34 der Verdampfer 30 ermöglicht. Der Kragen 44 ist insbesondere ein umlaufender Steg.
-
In 8 ist eine Abwandlung der Vorrichtung 22 gemäß 7 gezeigt. Hierbei ist lediglich die Hohlwelle 26 abgewandelt, wobei diese im Bereich des verschlossenen Endes konisch zuläuft. Die Auslässe 34 münden bezüglich der Einlässe 32 in einem zu dem verschlossenen Ende der Hohlwelle 26 versetzten Bereich. Aufgrund der konisch zulaufenden Hohlwelle 26 sind die Mündungen der Auslässe 34 im Vergleich zu den Einlässen 32 in Richtung der Rotationsachse 20 versetzt, sodass das Kältemittel 36 aufgrund der Zentrifugalkräfte von diesen ferngehalten wird.
-
In 9 ist eine weitere Abwandlung der Vorrichtung 22 gezeigt. Hierbei ist die Anordnung der Einlässe 32 und der Auslässe 34 in axialer Richtung vertauscht. Jedoch ist die Mündung der Auslässe 34 in Richtung der Rotationsachse 20 versetzt, sodass diese radial in die Hohlwelle 26 hineinragen. Mit anderen Worten ist ein Überstand gebildet. Die Einlässe 32 hingegen sind im Wesentlichen bündig mit der Innenwand 38 der Hohlwelle 26. Infolgedessen werden die Auslässe 34 von dem Kältemittel 36 umflossen und gelangen folglich zu den Einlässen 32.
-
In 10 ist die Hohlwelle 26 nochmals gezeigt. Diese verläuft in einem von den Verdampfern 30 in axialer Richtung versetzten Bereich konisch, sodass der Innendurchmesser der Hohlwelle 26 aufgeweitet wird und folglich der Abstand der Innenwand 38 zur Rotationsachse 20 zunimmt. Hierbei wird zunächst das Kältemittel 36 mittels einer Fördereinrichtung im flüssigen Zustand in einen Bereich mit verringertem Innendurchmesser eingeleitet. Bei einer Rotationsbewegung wird das Kältemittel 36 zu dem Bereich mit dem vergrößerten Innendurchmesser aufgrund der Zentrifugalkräfte geleitet, wo sich die nicht näher dargestellten Verdampfer 30 befinden. Infolgedessen ist eine Fördereinrichtung zur Beförderung der flüssigen Phase des Kältemittels 36 innerhalb der Hohlwelle 26 nicht erforderlich.
-
In 11 ist eine Abwandlung der Hohlwelle 26 gezeigt, wobei der Innendurchmesser konstant ist. Die Innenwand 38 weist eine wendelförmige Riefe 45 auf, die folglich schraubenlinienförmig ist. Die Riefe 45 ist eine in die Innenwand 38 eingebracht Nut oder Rille. Bei einer Drehbewegung der Hohlwelle 26 um die Rotationsachse 20 sammelt sich das Kältemittel 36 innerhalb der Riefe 45 und wird aufgrund der Schraubenlinienform in axialer Richtung befördert. Alternativ weist die Riefe 45 eine nicht wendelförmige Form auf, die insbesondere die gezielte Zuleitung des Kältemittels 36 in die Einlässe 32 ermöglicht.
-
In 12 ist nochmals die Hohlwelle 26 gezeigt. Hierbei wird entweder aufgrund der konischen Ausgestaltung der Hohlwelle oder der nicht näher dargestellten Riefe 45 die flüssige Phase des Kältemittels 36 entlang der Innenwand 38 bewegt, an der sich die flüssige Phase aufgrund der erhöhten Dichte bei einer Rotationsbewegung niederschlägt. Somit wird die flüssige Phase in eine einzige Richtung parallel zur Rotationsachse 20 bewegt. Die gasförmige Phase des Kältemittels 36 wird ebenfalls in die Hohlwelle 26 eingeleitet. Aufgrund der verringerten Dichte sammelt sich diese im Bereich der Rotationsachse 20 und ist folglich von der flüssigen Phase separiert. Aufgrund einer eingestellten Druckdifferenz wird die gasförmige Phase entgegen der Förderrichtung der flüssigen Phase abtransportiert.
-
In 13 ist der Elektromotor 18 dargestellt. Dieser weist ein sich entlang der Rotationsachse 20 erstreckendes Gehäuse 46 auf, welches endseitig jeweils mittels einem Lagerschild 48 verschlossen ist. An den Lagerschilden 48 ist jeweils ein Lager 50 zur Lagerung der Welle 26 des Rotors 24 angebunden. Der Elektromotor 18 weist ferner einen nicht näher dargestellten Stator auf, der das Blechpaket 28 umgibt. Die Welle 26 reicht durch einen der Lagerschilde 48 hindurch und mündet in einem Wärmetauscher 52, der mit Ausnahme der Verbindung zur Hohlwelle 26 fluidtechnisch geschlossen ist. Der Wärmetauscher 52 weist im Wesentlichen zwei zueinander und senkrecht zur Rotationsachse 20 angeordneten Platten auf, die umfangsseitig zur Bildung eines zylinderförmigen Innenraums verschlossen sind.
-
Der Wärmetauscher 52 ist fluidtechnisch mit der Hohlwelle 26 gekoppelt und ist an einem der Enden der Hohlwelle 26 drehfest angebunden. An dem anderen Ende ist die Hohlwelle 26 endseitig geschlossen. Infolgedessen ist wird das Kältemittel 36 bei Betrieb lediglich innerhalb der Hohlwelle 26, innerhalb der nicht näher dargestellten Verdampfer 30 sowie dem Wärmetauscher 52 bewegt. Der Wärmetauscher 52 ist bei Betrieb mit einem Fluid 54 beaufschlagt, welches Umgebungsluft oder Wasser ist. Aufgrund der vergleichsweise großen Fläche des Wärmetauschers 52 ist ein Abführen der Wärme von dem Kältemittel 36 auf das Fluid 54 verbessert, sodass das Kältemittel 36 in dem Wärmetauscher 52 auskondensiert wird.
-
In 14 ist eine Abwandlung des Elektromotors 18 und der Vorrichtung 22 gezeigt. Die Hohlwelle 26 ist an beiden Enden verschlossen, sodass das Kältemittel 36 innerhalb der Hohlwelle 26 gehalten wird. Auch ragt die Welle 26 aus dem Gehäuse 46 hinaus, und dort ist der Wärmetauscher 52 drehfest angebunden. Der Wärmetauscher 52 ist mittels einzelner in axialer Richtung zueinander beabstandeter und deckungsgleich ausgestalteter Bleche ausgebildet, die nach Art von Kühlrippen auf die Welle 26 aufgesteckt sind. Zwischen diesen wird das Fluid 54 eingespritzt. Somit ist eine vergleichsweise große Fläche zum Wärmeaustausch vorhanden, wobei ein Bauraum verringert ist. Zwischen dem Lager 50 und dem Wärmetauscher 52 ist ferner eine Dichtung 56 angeordnet, mittels derer ein Eindringen des Fluides 54 in das Gehäuse 46 verhindert ist.
-
In 15 ist eine Abwandlung des Elektromotors 18 gezeigt. Hierbei ist der Wärmetauscher 52 ebenfalls mit dem Fluid 54 beaufschlagt, welches jedoch Umgebungsluft ist. Infolgedessen wird der Wärmetauscher 52 mittels Umgebungsluft gekühlt. Mittels der Dichtung 56 wird ein Austritt von Kältemittel 36 oder sonstigen Flüssigkeiten, die innerhalb des Gehäuses 46 angeordnet sind, verhindert.
-
In 16 ist eine Abwandlung des in 14 gezeigten Elektromotors 18 dargestellt, wobei der Wärmetauscher 52 wiederum mit dem Fluid 54 beaufschlagt ist, welches jedoch flüssig ausgestaltet ist. Der Wärmetauscher 52 ist ein Pumpenrad, mittels dessen das Fluid 54 gefördert wird. Auch ist der Wärmetauscher 52 drehfest an der Hohlwelle 26 angebunden, sodass der Wärmetauscher 52 bei einer Rotationsbewegung der Hohlwelle 26 rotiert und folglich das Fluid 54 gepumpt wird. Zudem ist der Wärmetauscher 52 sowie das vollständige sich in diesem Bereich befindende Lagerschild 48 mit einem Deckel 58 abgedeckt, welcher mit dem Wärmetauscher 52 derart zusammenwirkt, dass das Fluid 54 gefördert wird. Mittels der Dichtung 56 wird wiederum ein Eindringen des Fluides 54 in das Gehäuse 46 verhindert.
-
In 17 ist eine alternative Ausführungsform der Vorrichtung 22 gezeigt. Hierbei ist die Hohlwelle 26 im Wesentlichen innerhalb des Gehäuses 26 angeordnet. Zumindest ist dieses endseitig verschlossen. Der Wärmetauscher 52 ist ein Bestandteil des Gehäuses 46 und befindet sich insbesondere an einem in vertikaler Richtung oberen Ende des Gehäuses 46. In vertikaler Richtung darunter ist ein Auffangbecken 60 in Form eines Trichters angeordnet, welcher in eine Leitung 62 übergeht, die im Inneren der Hohlwelle 26 mündet. Bei Betrieb wird die gasförmige Phase des Kältemittels 36 aus der Hohlwelle 26 heraus befördert und sammelt sich aufgrund der verringerten Dichte in einem in vertikaler Richtung oberen Bereich des Gehäuses 46. Dort erfolgt mittels des Wärmetauschers 52 eine Abkühlung, sodass dieses auskondensiert und in die flüssige Phase übergeht. Dieses tropft von dem Wärmetauscher 52 aufgrund der Gravitation nach unten und wird mittels des Auffangbeckens 60 aufgefangen, welches sich in vertikaler Richtung oberhalb der Hohlwelle 26 befindet. Mittels der Leitung 62 wird das Kältemittel 36 aufgrund der Gravitation aus dem Auffangbecken 60 erneut in die Hohlwelle 26 geleitet.
-
In 18 ist eine alternative Ausgestaltungsform der Vorrichtung 22 gezeigt. Hierbei ist der Wärmetauscher 52 wieder ein Bestandteil des Gehäuses 46 und befindet sich in einem in vertikaler Richtung oberen Bereich des Gehäuses 46. Jedoch weist das Gehäuse 46 ein zweites Auffangbecken 64 auf, welches in vertikaler Richtung den tiefsten Teil des Gehäuses 46 bildet. Das zweite Auffangbecken 64 ist somit eine Vertiefung im Inneren des Gehäuses 46. Bei Betrieb wird wiederum das Kältemittel 36 mittels des Wärmetauschers 52 auskondensiert, welches zu einem Boden des Gehäuses 46 tropft und sich aufgrund der Gravitation in dem zweiten Auffangbecken 64 sammelt. In dieses taucht ein Schleuderrad 66 ein, welches drehfest an der Hohlwelle 26 befestigt ist. Folglich wird bei einer Rotationsbewegung der Hohlwelle 26 um die Rotationsachse 20 mittels des Schleuderrads 66 ein Teil des Kältemittels 36 aus dem zweiten Auffangbecken 64 entnommen und an der Innenwand des Gehäuses 46 verteilt. Dieses wird unter anderem zu einer Kante 68 des Gehäuses 46 befördert, welche als Abtropfkante ausgebildet ist und in vertikaler Richtung oberhalb des Auffangbeckens 60 positioniert ist. Von dort tropft das Kältemittel 36 in das Auffangbecken 60 und wird aufgrund der Gravitation mittels der Leitung 62 in die Hohlwelle 26 fördert. Derjenige Anteil des Kältemittels 36, welcher nicht gegen die Kante 68 geschleudert wird und folglich nicht in das Auffangbecken 60 tropft, fließt wiederum zu dem zweiten Auffangbecken 64.
-
In 19 ist eine alternative Ausgestaltungsform gezeigt, wobei das Auffangbecken 60 sowie die Leitung 62 nicht vorhanden ist. Jedoch ist das zweite Auffangbecken 64 vorhanden. In dieses reicht ein Zufluss 70 einer Pumpe 72, die ein Koaxialpumpenrad aufweist, das an der der Hohlwelle 26 befestigt ist. Somit wird bei einer Rotationsbewegung der Hohlwelle 26 ebenfalls die Pumpe 72 betrieben. Ein Abfluss 74 der Pumpe 72 mündet in die Hohlwelle 26, sodass die flüssige Phase des Kältemittels 36 in die Hohlwelle 26 eingespritzt wird. Das Gehäuse 46 weist wiederum den Wärmetauscher 52 auf, der derart angeordnet ist, dass sich das auskondensierte Kältemittel 36 in dem zweiten Auffangbecken 64 sammelt.
-
In 20 ist eine alternative Ausführungsform der Vorrichtung 22 ausschnittsweise gezeigt. Hierbei ist lediglich die Pumpe 72 abgewandelt und weist einen von der Hohlwelle 26 separaten Antrieb auf, beispielsweise einen Elektromotor. Der Zufluss 70 mündet wiederum in dem zweiten Auffangbecken 64 und der Abfluss 74 ist derart angeordnet, dass das Kältemittel 36 in die Hohlwelle 26 gefördert oder eingesprüht wird.
-
In 21 ist eine alternative Ausführungsform der Vorrichtung 22 gezeigt. Hierbei ist die Hohlwelle 26 endseitig geschlossen. In diese reicht ein feststehendes Rohr 76, sodass bei Betrieb die Hohlwelle 26 bezüglich des Rohrs 76 rotiert wird. Das Rohr 76 wird umfangsseitig unter Ausbildung eines Spalts 78 von dem rohrförmig ausgestalteten Wärmetauscher 52 umgeben. Bei Betrieb wird mittels des Rohrs 76 das Fluid 54 in die Hohlwelle 26 eingeleitet und kühlt den Wärmetauscher 52, nämlich dessen radial innenliegende Oberfläche. An dieser wird das Fluid 54 aufgrund des herrschenden Drucks in die entgegengesetzte Richtung parallel zur Rotationsachse 20 zurück und somit wiederum nach außen geleitet. Mittels der Dichtung 56 wird ein Eindringen des Fluid 54 in das Gehäuse 46 verhindert.
-
Das Kältemittel 36 wird innerhalb der Hohlwelle 26 zwischen dem Wärmetauscher 52 und der Innenwand 38 im Wesentlichen frei bewegt, wobei die flüssige Phase des Kältemittels 36 durch die Einlässe 32 zu den radial nach außen versetzten Verdampfer 30 geleitet wird. Die gasförmige Phase tritt durch die Auslässe 34 in die Hohlwelle 26 erneut ein, wobei jeder Auslass 34 jeweils einen Überstand aufweist.
-
Folglich ist das Rohr 76 ein Innenrohr, welches statisch, fest außerhalb des Gehäuses 46 montiert ist. Die Hohlwelle 26 ist beidseitig verschlossen, sodass das Kältemittel 36 in dieser gehalten wird. Das Innenrohr, also das Rohr 76, ist einseitig offen, ebenso wie der Wärmetauscher 52, die beide konzentrisch zur Rotationsachse 20 angeordnet sind.
-
In 22 ist eine Abwandlung der in 21 gezeigten Vorrichtung 22 dargestellt. Hierbei ist der Wärmetauscher 52 innerhalb der Hohlwelle 26 weggelassen, und mittels des feststehenden Rohrs 76 wird das Kältemittel 36 in die Hohlwelle 26 eingeleitet. Dort schlägt sich die flüssige Phase des Kältemittels 36 an der Innenwand 38 der Hohlwelle 26 nieder und gelangt dort über die Einlässe 32 zu den Verdampfern 30, die sich innerhalb des Rotors 24 befinden und entsprechend der in 9 gezeigten Ausführungsform ausgestaltet sind. Die gasförmige Phase des Kältemittels 36 wird im Vergleich zur vorhergehenden Ausführungsform aus der Hohlwelle 26 ausgeleitet, und zwar an dem offenen Ende der Hohlwelle 26, durch das das Rohr 76 ragt. Das verbleibende Ende der Hohlwelle 26 hingegen ist versch lossen .
-
Auf der offenen Seite der Hohlwelle 26 ist an das Gehäuse 46 ein Sammelgehäuse 80 angesetzt, in das die gasförmige Phase des Kältemittels 36 einströmt. Das Rohr 76 ragt hierbei durch das Sammelgehäuse 80 hindurch, wobei aufgrund der feststehenden Ausgestaltung des Rohrs 76 eine Abdichtung zwischen diesem und dem Sammelgehäuse 80 vergleichsweise einfach zu realisieren ist. Mittels der Dichtung 56 wird ein Einströmen des Kältemittels 36 aus dem Sammelgehäuse 80 in das Gehäuse 46 verhindert. Die gasförmige Phase des Kältemittels 36 wird über einen Anschluss 82 aus dem Sammelgehäuse 80 zu dem Wärmetauscher 52 geführt, der von der Vorrichtung 22 beabstandet ist. Die flüssige Phase des Kältemittels 36 wird dann von dem Wärmetauscher 52 über das Rohr 76 wiederum erneut in die Hohlwelle 26 eingeleitet.
-
In 23 ist eine weitere Abwandlung der Vorrichtung 22 gezeigt, wobei die Hohlwelle 26 sowie das feststehende Rohr 76, das konzentrisch zur Hohlwelle 26 angeordnet ist, nicht abgewandelt sind. Das Sammelgehäuse 80 ist wiederum vorhanden, jedoch weist dieses nicht den Anschluss 82 auf. Auch weist wiederum der Rotor 24 die Verdampfer 30 auf, deren Einlässe 32 an der Innenwand 38 der Hohlwelle 26 münden, sodass ein Eintritt der flüssigen Phase des Kältemittels 36 möglich ist. Die Auslässe 34 der Verdampfer 30 jedoch münden nicht in die Hohlwelle 26, sondern in das Gehäuse 46 und zwar beispielsweise an der radialen Außenseite des Rotors 24. Mit anderen Worten münden die Auslässe 34 an der Umfangsseite des Rotors 24 in das Gehäuse 46. Alternativ oder in Kombination hierzu münden die Auslässe 34 in einem stirnseitigen Bereich des Rotors 24 in das Gehäuse 46. Das Gehäuse 46 weist den Anschluss 82 auf, über den das Kältemittel 36 zu dem nicht näher dargestellten Wärmetauscher 52 geleitet wird.
-
Aufgrund einer Rotation des Rotors 24 wird das Kältemittel 36 vergleichsweise effizient durch die Verdampfer 30 hindurch geleitet, sodass beispielsweise auch bei lediglich einer teilweisen Verdampfung des Kältemittels 36 dieses als Kühlmittel wirkt und somit Wärme von dem Rotor 24 abführt. Aufgrund der Rotation des Rotors 24 und der damit auf das Kältemittel 36 wirkenden Rotationskraft ist zudem keine weitere zusätzliche Fördereinrichtung erforderlich.
-
In 24 ist eine weitere Abwandlung der in 22 gezeigten Vorrichtung 22 dargestellt, wobei wiederum das Sammelgehäuse 80 vorhanden ist, in die der Anschluss 82 mündet. Das Rohr 76 ist verlängert, sodass dieses im Wesentlichen im Bereich des verschlossenen Endes der Hohlwelle 26 mündet, wobei auch weiterhin ein Austritt des Kältemittels 36 in die Hohlwelle 26 ermöglicht ist. Im Vergleich zu der in 22 gezeigten Ausführungsform ist innerhalb des Spalts 78 zwischen dem Rohr 76 und der Hohlwelle 26 eine Drossel 84 angeordnet, die sich somit zwischen dem Rohr 76 und der Hohlwelle 26 befindet. Die Drossel 84 ist beispielsweise ein Wellendichtring, eine Labyrinthdichtung oder besonders bevorzugt ein Lager, beispielsweise ein Nadellager, oder umfasst zumindest eines dieser Bestandteile.
-
Die Drossel 84 befindet sich im Wesentlichen mittig zwischen den beiden Enden der Hohlwelle 26, sodass ein Austritt der flüssigen Phase des Kältemittels 36, welches sich an der Innenwand 38 der Hohlwelle 26 sammelt, in das Sammelgehäuse 80 im Wesentlichen unterbunden ist. Das Kältemittel 36 wird somit vergleichsweise effektiv in die Verdampfer 30 geleitet, deren Einlässe 32 sich auf der zu dem verschlossenen Ende der Hohlwelle 26 versetzten Seite der Drossel 84 befinden. Die Auslässe 34 der Verdampfer 30 hingegen befinden sich auf der gegenüberliegenden Seite der Drossel 84, also auf der Seite des Sammelgehäuses 80.
-
Mittels der Drossel 84 ist zudem eine Ausbildung eines unterschiedlichen Drucks auf Seiten des Einlässe 32 und der Auslässe 34 möglich. Daher ist ein vergleichsweise schneller Durchfluss des Kältemittels 36 durch die Verdampfer 30 realisierbar, wobei beispielsweise aufgrund der resultierenden vergleichsweise hohen Geschwindigkeit das Kältemittel 36 lediglich teilweise verdampft. Aufgrund der erhöhten Geschwindigkeit wird jedoch auch weiterhin vergleichsweise viel Wärme von dem Rotor 24 mittels des Kältemittels 36 abgeführt. Mittels der Dichtung 56 wird wiederum ein Rückströmen des Kältemittels 36 in das Gehäuse 46 unterbunden.
-
In einer nicht näher dargestellten Ausführungsform ist die Dichtung 56 nicht vorhanden oder abgeändert, sodass ein teilweise Rückströmen des Kältemittels 36 in das Gehäuse 46 ermöglicht ist, wo dieses beispielsweise dem Kühlen und/oder Schmieren des Lagers 50 oder weiterer Bestandteile dient. In diesem Fall weist insbesondere das Gehäuse 46 zusätzlich den Anschluss 82 auf, der anderweitig beispielsweise auch genutzt wird, um Leckagen durch die Dichtung 56 hindurch aus dem Gehäuse 46 abzuleiten.
-
In 25 ist eine Abwandlung der vorherigen Ausgestaltungsform der Vorrichtung 22 gezeigt. Auch hier ist wiederum das feststehende Rohr 76 vorhanden, das in die endseitig verschlossene Hohlwelle 26 reicht, wobei zwischen dem Rohr 76 und der Hohlwelle 26 wiederum die Drossel 84 angeordnet ist. Die Dichtung 56 ist nunmehr nicht mehr zwischen dem Gehäuse 46 und der Hohlwelle 26 sondern zwischen dem Rohr 76 und der Hohlwelle 26 im Bereich des offenen Endes der Hohlwelle 26 angeordnet, sodass sich die Drossel 84 zwischen der Dichtung 56 und dem verschlossenen Ende der Hohlwelle 26 befindet. Somit ist das Innere der Hohlwelle 26 von dem Sammelgehäuse 80 mittels der Dichtung 56 getrennt. Die Verdichter 30 weisen ebenfalls wiederum die Einlässe 32 in die Hohlwelle 26 auf, und zwar im Wesentlichen im Bereich des Endes des Rohrs 76. Somit wird das Kältemittel 36, welches sich aufgrund der Rotationsbewegung des Rotors 24 um die Rotationsachse 20 an der Innenwand 38 der Hohlwelle 26 sammelt, in die Verdampfer 30 eingeleitet. Hierbei erstrecken sich die Verdampfer 30 über einen vergleichsweise großen Bereich des Blechpakets 28, sodass eine vergleichsweise effiziente Wärmeabfuhr ermöglicht ist.
-
Die Auslässe 34 der Verdampfer 30 sind mittels eines Schleuderrads 86 gebildet, welches in dem Sammelgehäuse 80 angeordnet ist. Das Schleuderrad 86 ist drehfest an der Hohlwelle 26 befestigt und somit ebenfalls um die Rotationsachse 20 drehbar gelagert. Das Schleuderrad 86 weist an dessen radialer Innenseite, die im Wesentlichen den gleichen Radius wie Hohlwelle 26 aufweist, den Zufluss und an dessen radialer Außenseite den Auslass 34 der Verdampfer 30 auf. Das Schleuderrad 86 dient somit dem Saugen des Kältemittels 36 durch die Verdichter 30 hindurch, sodass dieses vergleichsweise effizient aus der Hohlwelle 26 durch die Verdichter 30 zu dem Sammelgehäuse 80 geführt wird. Somit wird der Fördermassenstrom erhöht, was eine Kühlleistung verbessert. Auch ist eine vollständige Verdampfung des Kältemittels 36 zur Erreichung einer vergleichsweise hohen Kühlwirkung nicht erforderlich. Das Schleuderrad 86 wirkt somit als Schleuderpumpe bzw. Radialpumpe bzw. Seitenkanalpumpe. In weiteren Alternativen ist anstatt des Schleuderrad 86 eine anderweitige Pumpe vorhanden.
-
In 26 ist schematisch vereinfacht der Wärmetauscher 52 gezeigt, der beispielsweise von der Vorrichtung 22 beabstandet ist, insbesondere zumindest von dem Gehäuse 46. Der Wärmetauscher 52 weist einen Eingang 88 und einen Ausgang 90 auf, zwischen denen eine Wärmetauscherfläche 92 angeordnet ist. Die Wärmetauschfläche 92 weist mehrere nicht näher dargestellte Röhren auf, durch die die gasförmige Phase des Kältemittels 36 bei Betrieb geleitet wird, die zur Wärmetauschfläche 92 über den Eingang 88 gelangt. Aufgrund der vergleichsweise großen Fläche wird von dem Kältemittel 36 vergleichsweise viel Wärme auf die Wärmetauscherfläche 92 abgegeben, die beispielsweise mit einem weiteren Kühl- und/oder Kältemittel, einem sonstigen Fluid oder beispielsweise Umgebungsluft beaufschlagt ist. Infolgedessen kondensiert das gasförmige Kältemittel 36 aus, und über den Ausgang 90 wird im Wesentlichen lediglich die flüssige Phase des Kältemittels 36 ausgeleitet.
-
In 27 ist eine alternative Ausgestaltungsform des Wärmetauschers 52 gezeigt, der wiederum den Eingang 88 und den Ausgang 90 aufweist, die beide in einem Ausgleichsbehälter 94 münden. Der Eingang 88 ist ein im Wesentlichen in vertikaler Richtung verlaufendes Rohr, das in einem Bodenbereich des Ausgleichsbehälters 94 mündet. An dem Eingang 88 ist ein Element 96 zur Erzeugung von Blasen angeordnet, beispielsweise ein im Wesentlichen in horizontaler Richtung zwischen den Wänden des Ausgleichsbildes 94 gespanntes Gitter. Der Ausgang 90 ist ebenfalls ein Rohr, das oberhalb des Endes des Eingangs 88 in dem Ausgleichsbehälter 94 mündet. Bei Betrieb sind die beiden Enden des Eingangs 88 und des Ausgang 90 mit der flüssigen Phase des Kältemittels 36 überdeckt.
-
Bei Betrieb wird durch den Eingang 88 die gasförmige Phase des Kältemittels 36 in den Ausgleichsbehälter 94 in vertikaler Richtung nach unten eingeleitet. Die gasförmige Phase des Kältemittels 36 tritt in die flüssige Phase des Kältemittels 36 ein, und wird mittels des Elements zur Blasenerzeugung 96 in einzelne Blasen 98 aufgeteilt. Die Blasen 98 steigen aufgrund der geringeren Dichte in vertikaler Richtung durch die flüssige Phase des Kältemittels 36 nach oben. Aufgrund der vergleichsweise großen Oberfläche der Blasen 98 geben diese vergleichsweise viel Wärme an die flüssige Phase des Kältemittels 36 ab und kühlen somit ab. Infolgedessen kondensiert das Kältemittel 36 aus, sodass lediglich ein vergleichsweise geringer Teil der Blasen 98 die Oberfläche der flüssigen Phase des Kältemittels 36 erreicht. Die auf diese Weise aufgewärmte flüssige Phase des Kältemittels 36 gibt die aufgenommene thermische Energie über den Ausgleichsbehälter 94 an die Umgebung ab. Die flüssige Phase des Kältemittels 36 wird mittels des Ausgangs 90 wiederum zu der Vorrichtung 22, insbesondere dem Rohr 76, geleitet. Somit wirkt der Wärmetauscher 52 als Einsprudler. Alternativ oder zusätzlich wird zum Beispiel die flüssige Phase des Kältemittels 36 mittels des Ausgangs 90 zu einem weiteren Wärmetauscher mit einer Wärmetauscherfläche und mittels des Ausgangs des weiteren Wärmetauschers wiederum zu der Vorrichtung 22 geleitet, insbesondere zu dem Rohr 76.
-
Zusammenfassend weist der Rotor 24 den mit rotierenden Verdampfer 30 auf, der insbesondere innenliegende ausgestaltet ist, also innerhalb des Blechpakets 28 eingebettet ist. In dem Verdampfer 30 wird das Kältemittel 36, welches ein flüssiges Wärmeträgermedium ist, verdampft, wobei unter Aufnahme der Verdampfungsenthalpie eine Kühlwirkung erzeugt wird. Das Kältemittel 36 wird im Betrieb aufgrund der Zentrifugalkräfte zu den Verdampfern 30 gefördert. Die entstehende gasförmige Phase strömt zentral entlang der Rotationsachse 20 zu einem Kondensationsort, insbesondere dem Wärmetauscher 52, an dem der Gasdruck infolge der Kondensation abgesenkt ist.
-
Insbesondere ist die Welle 26 hohl ausgestaltet, und von dieser gehen ein oder eine Mehrzahl an Steigrohren bzw. Aushöhlungen in Radialrichtung nach außen, die insbesondere die Einlässe 32 bzw. die Auslässe 34 der Verdampfer 30 bilden. Somit strömt das Kältemittel 36 zu den Verdampfern 30. Insbesondere weisen sämtliche Einlässe 32 den gleichen Abstand zur Rotationsachse 20 auf. Infolgedessen wird das Kältemittel 36 im Wesentlichen gleichmäßig zu den Verdampfer 30 geführt, sodass eine im Wesentlichen gleichmäßige Kühlung des Blechpakets 28 vorhanden ist.
-
Das Kältemittel 36 wird innerhalb der Hohlwelle 26 geführt und, und zwar sowohl in der flüssigen als auch in der gasförmigen Ausgestaltung. Die Welle ist insbesondere konisch ausgestaltet. Mit anderen Worten ist die Innenwand 38 gegenüber der Rotationsachse 20 geneigt. Auch kann eine Führung des Kältemittels 36 aufgrund der Riefe 45 erfolgen, welche insbesondere eine schraubenlinienartige Riffelung ist. Aufgrund des Kragens 44 wird ein Übertritt des Kältemittels 36 zu den Auslässen 34 verhindert. Der Kragen 44 ist somit eine Randüberhöhung, insbesondere ein umlaufender Steg. Auch aufgrund der konischen Ausgestaltung wird ein Eintritt des Kältemittels 36 in die Auslässe 34 verhindert.
-
Vorzugsweise ist der Wärmetauscher 52 drehfest an der Hohlwelle 26 angebunden und wird folglich mit rotiert. Das verbleibende Ende der Welle 26 ist zweckmäßigerweise verschlossen, sodass das Kältemittel 36 innerhalb der Welle 26 gehalten wird. Der Wärmetauscher 52 ist zweckmäßigerweise mittels des Fluid 54 beaufschlagt, sodass dieser eine Wärmesenke bildet. Infolgedessen ist es ermöglicht, innerhalb der Welle 26 im Wesentlichen beliebige Drücke einzustellen, beispielsweise ein (Teil-)Vakuum oder einen Überdruck, sodass die einzelnen Verdampfungstemperaturen des Kältemittels 36 einstellbar sind. Alternativ ist eine Strahl- oder Tauchkühlung des Wärmetauschers 52 möglich. Zudem ist es ermöglicht, die Vorrichtung 22 drucklos auszugestalten, also insbesondere ein Kühlkreislaufsystem zu schaffen, der ohne statischen bzw. Überdruck betrieben wird. Folglich ist es ermöglicht, die Dichtung 56 auf vergleichsweise geringe Drücke einzustellen, was Herstellungskosten reduziert.
-
Beispielsweise ist der Wärmetauscher 52 als Pumpenlaufrad ausgestaltet, insbesondere nach Art eines Impellers. Das Kältemittel 36 ist zweckmäßigerweise ein Wasser-Glykol-Gemisch. Die Schaufeln des Impellerlaufrads wirken als Wärmeleitrippen und erhöhen in günstiger Weise den Wärmeübergang zwischen dem äußeren Fluid 54 und dem Kältemittel 36. Auch ist es möglich die Vorrichtung 22 operativ in günstiger Weise in ein übergeordnetes Kühlsystem zu integrieren, insbesondere da die Förderung des äußeren Kühlmediums, also des Fluides 54, betrieblich zeitparallel zu dem Betrieb des Elektromotors 18 erfolgt. Folglich kann ein Teilkreis des äußeren Kühlsystems, das ausschließlich der Kühlung des Elektromotors 18 oder der zugehörigen Leistungselektronik, insbesondere des Umrichters 16, dient, unter minimierter Leistungsaufnahme bzw. Bordnetzlast betrieben werden.
-
Insbesondere ist der Wärmetauscher 52 innerhalb des Gehäuses 46 angeordnet, an welchem das Kältemittel 36 zu flüssigem Kondensat kondensiert wird. Dabei ist insbesondere ein Teil des Gehäuses 46 als Kondensator ausgebildet. Insbesondere wird dieser Teil mittels eines äußeren Kühlmediums gekühlt, vorzugsweise mittels des Fluides 54. Somit ist es ermöglicht, eine Wärmeabfuhr aus dem Rotor 24 mittels des äußeren Kühlmediums über das Gehäuse 46 abzuführen. Außerdem ist es ermöglicht, das Gehäuse 46 drucklos zu betreiben, also keinen statischen Vordruck aufzubringen. Infolgedessen ist es ermöglicht, das Gewicht des Gehäuses 46 zu verringern.
-
Insbesondere wird das Kältemittel 36 gravimetrisch oder mittels Vordrucks in die Hohlwelle 26 eingebracht. Somit wird das gasförmig aus der Welle 26 ausströmende Kältemittel 26 ersetzt, sodass die Massenbilanz im stationärer zeitlichen Mittel ausgeglichen wird, weswegen die Kühlung aufrecht erhalten bleibt.
-
Die Leitung 62 ragt insbesondere in die Welle 26 hinein, sodass das Kältemittel 36 gravimetrisch oder mittels der Pumpe 72 in die Welle 26 einströmt.
-
Insbesondere wird innerhalb des Gehäuse 46 das anfallende Kondensat aufgefangen und gesammelt, insbesondere mittels des zweiten Auffangbeckens 64. Mittels einer separaten Fördereinrichtung, also insbesondere mittels des Schleuderrads 66 oder der Pumpe 72, die beispielsweise eine Seitenkanalpumpe oder eine integrierte Pumpe ist, deren Laufrad koaxial mit der Welle 26 dreht und mit dieser fest verbunden ist, wird das Kältemittel 36 in die Welle 26 befördert. Somit wird an dem tiefsten Punkt des Gehäuses 46 während des Betriebs das auskondensierte Kältemittel 36 gesammelt und gezielt in die Welle 26 gefördert. Hierbei wird beispielsweise das auf der Welle 26 aufgesetzte Schleuderrad 66 und der Kondensatabtropfer, also die Kante 68, und der Auffangtrichter, also das Auffangbecken 60, verwendet. Alternativ wird eine Seitenkanalpumpe, eine Zahnradpumpe, eine Flügelzellenpumpe oder ein Schaufelrad verwendet. Zum Beispiel wird das Kältemittel 36 bedruckt in die Welle 26 mittels der Pumpe gefördert. Somit wird der vorhandene Förderdruck zur Ausbildung eines Strahls des Kältemittels und Zurückführung des Kältemittels 36 in die Welle 26 verwendet.
-
Insbesondere weisen die Verdampfer 30 und/oder die Kondensatoren, insbesondere der Wärmetauscher 52, Oberflächen mit einer kapillaren Beschichtung oder mit Oberflächenstrukturen auf, beispielsweise eine (Metall)Pulverbeschichtung. Alternativ weisen die Oberflächen eine grobe Oberflächenrauheit, eine (Metall-)Faserstruktur, eine (Metall-)Schaumstruktur oder eine Stäbchenstruktur im Millimeter -oder Mikrometerbereich oder eine (fein-) lamellierten Oberfläche auf. Infolgedessen ist eine flächenspezifische Verdampfungs- bzw. Kondensationsrate gesteigert, und/oder die zur Verdampfung bzw. Kondensation erforderlichen Temperaturdifferenzen sind reduziert.
-
Insbesondere umfasst der Verdampfer 30 eine oder eine Mehrzahl an kapillaren Röhren, die insbesondere als hohler elektrischer Leiter ausgestaltet sind, welche zweckmäßigerweise ein Bestandteil einer elektrischer Wicklungsdrahts sind. Infolgedessen wird eine Verteilung und Förderung des Kältemittels 36 begünstigt und eine vergleichsweise effektive Kühlung bewirkt. Zweckmäßigerweise sind keine oder im Wesentlichen keine Totwasserbereiche in dem Gehäuse 46 vorhanden, sodass das Kältemittel 36 ständig umgewälzt wird. Infolgedessen ist eine ungleiche Alterung oder ungleichmäßige Degradation der Stoffparameter verhindert.
-
Zusammenfassend ist die Leistungsdichte aufgrund der aktiven Kühlung erhöht, wobei das Kältemittel 36 insbesondere ein dielektrisches Kältemittel ist. Somit ist eine reduzierte Betriebstemperatur der Vorrichtung 22 ermöglicht oder eine erhöhte Betriebslast. Auch ist ein elektrischer Wirkungsgrad, eine Betriebsstundenzahl/Lebensdauer erhöht. Zudem ist die Baumasse und Baugröße reduziert und ein Gewicht verringert. Ferner ist eine lageunabhängige Kühlfunktion gegeben, und/oder das Gehäuse 46 ist insbesondere drucklos ausgestaltet.
-
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den einzelnen Ausführungsbeispielen beschriebene Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
-
Bezugszeichenliste
-
- 2
- Kraftfahrzeug
- 4
- Karosserie
- 6
- Antriebsrad
- 8
- Rad
- 10
- Hochvoltbordnetz
- 12
- Hochvoltbatterie
- 14
- Antrieb
- 16
- Umrichter
- 18
- Elektromotor
- 20
- Rotationsachse
- 22
- Vorrichtung
- 24
- Rotor
- 26
- Welle
- 28
- Blechpaket
- 30
- Verdampfer
- 32
- Einlass
- 34
- Auslass
- 36
- Kältemittel
- 38
- Innenwand
- 40
- Verdampferkörper
- 42
- Zwischenteil
- 44
- Kragen
- 45
- Riefe
- 46
- Gehäuse
- 48
- Lagerschild
- 50
- Lager
- 52
- Wärmetauscher
- 54
- Fluid
- 56
- Dichtung
- 58
- Deckel
- 60
- Auffangbecken
- 62
- Leitung
- 64
- zweites Auffangbecken
- 66
- Schleuderrad
- 68
- Kante
- 70
- Zufluss
- 72
- Pumpe
- 74
- Abfluss
- 76
- Rohr
- 78
- Spalt
- 80
- Sammelgehäuse
- 82
- Anschluss
- 84
- Drossel
- 86
- Schleuderrad
- 88
- Eingang
- 90
- Ausgang
- 92
- Wärmetauschfläche
- 94
- Ausgleichsbehälter
- 96
- Element zur Blasenerzeugung
- 98
- Blase
