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Die Erfindung betrifft einen als elektromotorisch betriebenen Laufradverdichter ausgebildeten Elektro-Verdichter mit einer Gehäusetrennwand zwischen Verdichtergehäuse und Elektromotorgehäuse, insbesondere zur Anordnung und für den Einsatz in einem Aufladesystem einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Verbrennungsmotors in einem Kraftfahrzeug.
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Zur Effizienz-Steigerung und zur Einhaltung immer strenger werdender Abgas-Grenzwerte werden insbesondere moderne Verbrennungsmotore für Kraftfahrzeuge vermehrt mit Aufladesystemen ausgerüstet. Dies geschieht mit dem Ziel den Verbrennungsmotor bei gleicher oder gar gesteigerter Leistung in Baugröße und Gewicht zu reduzieren und gleichzeitig den Verbrauch und somit den CO2-Ausstoß zu verringern. Das Wirkprinzip besteht darin, den Druck im Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors zu erhöhen und so eine bessere Befüllung des Brennraumes mit Luft-Sauerstoff zu bewirken und somit mehr Treibstoff, Benzin oder Diesel, pro Verbrennungsvorgang umsetzen zu können, also die Leistung des Verbrennungsmotors zu erhöhen.
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Dazu werden vermehrt Abgasturbolader-Systeme eingesetzt, mit deren Hilfe die im Abgas des Verbrennungsmotors enthaltene Energie zur Erzeugung des Druckes im Ansaugtrakt genutzt wird.
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Bei einer Lasterhöhung zum Beispiel im Zusammenhang mit einem Beschleunigungsvorgang eines Kraftfahrzeugs wird der Turbolader systembedingt erst durch den ansteigenden Abgasdruck wirksam. Aus diesem Grund und verstärkt durch die träge Masse des Turboladerläufers erfolgt der Druckaufbau im Ansaugtrakt verzögert, was wiederum ein verzögertes Ansprechverhalten des Verbrennungsmotors, das allgemein als sogenanntes Turboloch bezeichnet wird, zur Folge hat.
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Diesem unerwünschten Effekt wird mit unterschiedlichen Lösungsansätzen entgegengetreten, wie zum Beispiel mit der parallelen oder sequenziellen Anordnung mehrerer Turbolader unterschiedlicher Baugröße, Leistung und Ansprechverhalten. Ein weiterer Lösungsansatz besteht in der alternativen oder zusätzlichen Anordnung einer vom Abgasstrom unabhängig betreibbaren Verdichtereinheit im Ansaugtrakt, die gezielt in transienten Betriebsphasen des Verbrennungsmotors, für den schnellen Druckaufbau im Ansaugtrakt, also zur Eliminierung eines Leistungsloches eingesetzt wird.
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Für diese Anwendung haben sich elektromotorisch betriebene Verdichter, die auch als E-Booster oder E-Compressor sowie als elektrisch angetriebener Verdichter (EAV) und hier vorausgehend und im Folgenden als Elektro-Verdichter bezeichnet werden, als vorteilhaft erwiesen.
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Die Verdichterkomponente an sich ist dabei in der Regel als Laufradverdichter ausgeführt und weist somit den gleichen oder einen ähnlichen Aufbau auf, wie ein in einem Abgasturbolader eingesetzter Laufradverdichter. Solche Laufradverdichter sind in bekannten Bauformen als Radialverdichter, als Radial-Axial-Verdichter (Mixed-Flow-Verdichter) oder als Axialverdichter ausgeführt und weisen ein Verdichterlaufrad mit einer auf einer Laufradnabe angeordneten Laufradbeschaufelung auf. Dabei wird das in einem Verdichtergehäuse auf einer Läuferwelle angeordnete Verdichterlaufrad mit hoher Drehzahl angetrieben, in diesem Fall durch einen Elektromotor, saugt das zu verdichtende Medium in der Regel in axialer Richtung an und führt das verdichtete Medium in einer durch die Laufradbeschaufelung und die Laufradnabe sowie das umgebende Verdichtergehäuse vorgegebenen Richtung ab. Die jeweilige Benennung gibt dabei die Richtung des abströmenden verdichteten Mediums an.
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Ein solcher Elektro-Verdichter, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist, weist einen als Radialverdichter ausgebildeten Laufradverdichter mit einem Verdichtergehäuse und einem darin angeordneten Verdichterlaufrad und einen Elektromotor mit einem Motorgehäuse mit darin angeordnetem Stator und Rotor auf. Zwischen Verdichtergehäuse und Elektromotorgehäuse ist eine Gehäusetrennwand vorgesehen, die zugleich als Gehäusedeckel für das Verdichtergehäuse als auch für das Motorgehäuse dient und die beiden Gehäuse abschließt oder, mit anderen Worten, den Verdichtergehäuseinnenraum von dem Motorgehäuseinnenraum trennt sowie zumindest ein Lager des Verdichterläufers aufnimmt. Des Weiteren schließt sich in der Regel eine elektrische Steuerungseinheit für den Elektromotor an das Elektromotorgehäuse an, die jedoch auch separat angeordnet sein kann.
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Das Verdichterlaufrad und der Rotor des Elektromotors bilden zusammen mit der Läuferwelle den Verdichterläufer der im Betrieb um die Läuferdrehachse der Läuferwelle rotiert. Die Läuferdrehachse und die Elektro-Verdichter-Achse fallen zusammen und kennzeichnen die axiale Ausrichtung des Elektro-Verdichters. Der Verdichterläufer ist mit seiner Läuferwelle in der Regel mittels zweier Einzellager im Elektromotorgehäuse drehbar gelagert, wobei zumindest ein Einzellager im Gehäusedeckel des Motorgehäuses bzw. der Gehäusetrennwand aufgenommen ist.
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Die Anordnung des Elektro-Verdichters in unmittelbarer Nähe des Verbrennungsmotors, zum Beispiel im Motorraum eines Kraftfahrzeugs erfordert eine, gegenüber rauen Umgebungsbedingungen robuste Gestaltung. Dazu ist die Dichtheit insbesondere der Antriebseinheit und der Lager gegenüber Umgebungsmedien von essentieller Bedeutung. Dabei müssen vor allem die Bauteile des Elektromotors und die Lagerung der Läuferwelle von der Umgebung und den durch den Verdichter angesaugten Medien abgeschirmt werden. Dies betrifft vor allem eine gegenüber Ruß, Kondenswasser und Öldämpfen dichte Auslegung des Motorgehäuses des Elektro-Verdichters.
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Eine bekannte Schwachstelle stellt dabei die Durchführung der Läuferwelle durch den Gehäusedeckel des Motorgehäuses bzw. die Gehäusetrennwand zwischen Motorgehäuse und Verdichtergehäuse dar. Eine entsprechende Wellendichtung muss dabei sehr hohen Anforderungen in Bezug auf Temperatur, Wellendrehzahl und daraus resultierender Lebensdauer erfüllen. Entsprechende Wellendichtungen verursachen erhöhte Herstellungskosten eines Elektro-Verdichters.
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Weiterhin hat sich gezeigt, dass bei ungenügender Abdichtung der Läuferwelle, verursacht durch den Druckunterschied zwischen dem hermetisch verschlossenen Verdichtergehäuse und dem Motorgehäuse des Elektromotors eine Durchspülung des entsprechenden, auf der Gehäusetrennwandseite bzw. in der Gehäusetrennwand angeordneten Läuferwellenlagers stattfindet, was zur Auswaschung von Schmierstoff und zum Eintrag von Schmutzpartikeln führen kann. Dies kann die Lebensdauer des Läuferwellenlagers und somit des Elektro-Verdichters erheblich verkürzen.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe ist es deshalb einen Elektro-Verdichter, also einen mit einem Elektromotor verbundenen und elektromotorisch betriebenen Laufradverdichter anzugeben, der bei reduzierten Herstellkosten eine hohe Lebensdauer aufweist.
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Die Aufgabe wird gelöst durch einen Elektro-Verdichter mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs.
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Erfindungsgemäß weist der insbesondere zur Anordnung in einem Aufladesystem eines Verbrennungsmotors geeignete Elektro-Verdichter einen Laufradverdichter mit einem Verdichtergehäuse, einen Elektromotor mit einem Motorgehäuse und eine Gehäusetrennwand zwischen Verdichtergehäuse und Motorgehäuse auf.
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Dabei ist ein Verdichterlaufrad in einem Verdichtergehäuseinnenraum des Verdichtergehäuses angeordnet und ein Stator sowie ein Rotor ist in einem Motorgehäuseinnenraum angeordnet. Das Verdichterlaufrad und der Rotor sind mittels einer durch die Gehäusetrennwand geführten, um eine Läuferdrehachse drehbaren und mittels einer Lageranordnung zumindest in der Gehäusetrennwand drehgelagerten Läuferwelle verbunden.
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Der Elektro-Verdichter ist dabei dadurch gekennzeichnet, dass in der Gehäusetrennwand zumindest eine Druckausgleichseinrichtung angeordnet ist. Diese Druckausgleichseinrichtung weist zumindest eine Durchgangsöffnung auf, die vom Verdichtergehäuseinnenraum zum Motorgehäuseinnenraum führt und die auf der dem Motorgehäuseinnenraum zugewandten Seite der Gehäusetrennwand, mittels einer elastisch in den Motorgehäuseinnenraum hinein dehnbaren Druckausgleichsmembran, gegenüber dem Motorgehäuseinnenraum dichtend abgedeckt ist.
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Der hiermit erzielte Effekt beruht darauf, dass bei erhöhtem Druck im Verdichtergehäuse das entsprechende Medium, also Verdichterluft mit niedrigem Widerstand durch die Druckausgleichsöffnung in der Gehäusetrennwand in das Motorgehäuse überströmt und dort die Druckausgleichsmembran in das Motorgehäuse hinein ausdehnt bzw. aufbläht, gleichzeitig die Verdichterluft jedoch von den Elektromotorkomponenten getrennt hält. Dadurch wird das Volumen des Motorgehäuseinnenraums verringert und der Innendruck steigt entsprechend, bis sich ein Gleichgewicht zwischen dem Innendruck im Verdichtergehäuse und dem Innendruck im Motorgehäuse einstellt.
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Diese Gestaltung hat den Vorteil, dass über die Druckausgleichseinrichtung der Druckunterschied zwischen Verdichtergehäuse und Motorgehäuse ausgeglichen werden kann und so aufgrund des fehlenden Druckgradienten keine Durchspülung des Läuferlagers stattfindet. Es kann deshalb auf kostengünstigere Komponenten für die Wellenabdichtung zurückgegriffen oder es kann auf die Wellendichtung ganz verzichtet werden und die Herstellkosten können dadurch gesenkt werden. Gleichzeitig bleibt die Lebensdauer der Läuferwellenlager auf gewohnt hohem Niveau.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Gegenstandes werden in den Unteransprüchen offenbart und im Folgenden anhand der Figuren der Zeichnung erläutert.
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Es zeigen:
- 1 Eine Ausführung eines erfindungsgemäßen Elektro-Verdichters mit den wesentlichen Komponenten, in vereinfachter schematischer Schnitt-Darstellung;
- 2 Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Elektro-Verdichters, anhand des in 1 gekennzeichneten Ausschnitts X.
- 3 Ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Elektro-Verdichters, mit einem als Ringnut ausgebildeten Druckausgleichsraum, anhand des in 1 gekennzeichneten Ausschnitts X.
- 4 Ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Elektro-Verdichters, mit als flächige Durchbrüche ausgebildeten Durchgangsöffnungen, anhand des in 1 gekennzeichneten Ausschnitts X.
- 5 Ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Elektro-Verdichters, mit einer als Faltenbalg ausgebildeten Druckausgleichsmembran, anhand des in 1 gekennzeichneten Ausschnitts X.
- 6 eine Druckausgleichsmembran in einem Membranträger zur Montage an der Gehäusetrennwand einer weiteren Ausführung des Elektro-Verdichters.
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Funktions- und/oder Benennungsgleiche Teile sind in den Figuren durchgängig mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
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1 betrifft einen erfindungsgemäßen Elektro-Verdichter 1 der mit allen wesentlichen Komponenten in vereinfachter Darstellung gezeigt ist. Dieser weist einen als Radialverdichter ausgebildeten Laufradverdichter 30, mit einem Verdichtergehäuse 31 und einem in dem Verdichtergehäuseinnenraum 31a auf einer Läuferwelle 14 angeordneten Verdichterlaufrad 13 auf. Weiterhin weist der Elektro-Verdichter 1 einen Elektromotor 20 in einem Motorgehäuseinnenraum 21a eines Elektromotorgehäuse 21, mit einer Topfwand 21c und einem Motorgehäuseboden 21b, auf. Der Elektromotor 20 besteht aus einem mit der Topfwand 21c des Motorgehäuses 21 verbundenen Stator 23 und einem auf der Läuferwelle 14 angeordneten Rotor 12.
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Zwischen Verdichtergehäuse 31 und Motorgehäuse 21 ist eine Gehäusetrennwand 22 angeordnet, die die beiden Gehäuse miteinander verbindet jedoch gleichzeitig den Verdichtergehäuseinnenraum 31a vom Motorgehäuseinnenraum 21a trennt.
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Das Verdichterlaufrad 13 und der Rotor 12 des Elektromotors 20 bilden zusammen mit der Läuferwelle 14 den Verdichterläufer 10 der im Betrieb um die Läuferdrehachse 15 der Läuferwelle 14 rotiert. Die Läuferdrehachse 15 und die Elektro-Verdichter-Achse 2 fallen zusammen und sind durch die eingezeichnete Mittellinie dargestellt, die die axiale Ausrichtung des Elektro-Verdichters 1 kennzeichnet. Die Läuferwelle 14 ist durch die Gehäusetrennwand 22 geführt und mittels einer Lageranordnung 40 zumindest in der Gehäusetrennwand 22 drehgelagert. Zur Abdichtung der Wellendurchführung ist eine Wellendichtung 16 vorgesehen, die Motorgehäuseinnenraum 21a und Verdichtergehäuseinnenraum 31a trennt. In dieser Ausführung befindet sich eine zweite Lageranordnung auf der gegenüberliegenden Seite des Rotors 12 im Motorgehäuseboden 21b des Motorgehäuses 21.
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Des Weiteren schließt sich bei dieser Ausführung eine Elektromotor-Steuerungseinheit 50 für den Elektromotor, in einem Steuerungsgehäuse 51 an das Motorgehäuse 21 an, die jedoch auch separat angeordnet sein könnte. Die Elektronik-Komponenten sind zur Vereinfachung hier nicht dargestellt.
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Der gezeigte erfindungsgemäße Elektro-Verdichter 1 ist vor allem dadurch gekennzeichnet, dass in der Gehäusetrennwand 22 zumindest eine Druckausgleichseinrichtung 24 angeordnet ist, die zumindest eine Durchgangsöffnung 25 aufweist, die vom Verdichtergehäuseinnenraum 31a zum Motorgehäuseinnenraum 21a führt und die auf der dem Motorgehäuseinnenraum 21a zugewandten Seite der Gehäusetrennwand 22, mittels einer elastisch in den Motorgehäuseinnenraum 21a hinein dehnbaren Druckausgleichsmembran 26, gegenüber dem Motorgehäuseinnenraum 21a dichtend abgedeckt ist.
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In dem gezeigten Beispiel mündet die Durchgangsöffnung 25, die als einfache Bohrung ausgeführt sein kann, in einem Druckausgleichsraum 27, der von der Druckausgleichsmembran 26 überspannt ist. Zum Druckausgleich dehnt sich die Druckausgleichsmembran 26 in den Motorgehäuseinnenraum 21a hinein, was in 1 gestrichelt angedeutet ist.
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2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Elektro-Verdichters 1, anhand des in 1 gekennzeichneten Ausschnitts X und eine dazugehörige Radialschnittansicht, Schnitt A-A. Die hier gezeigte Ausführung ist unter Anderem dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Durchgangsöffnung 25 in einem radialen Abstand R zur Läuferdrehachse 15 in der Gehäusetrennwand 22 angeordnet ist. Gleichwohl können auch mehrere, über einen Umfang verteilte Durchgangsöffnungen 25, wie in Schnittansicht A-A der 2 gestrichelt angedeutet, in der Gehäusetrennwand 22 angeordnet sein. Auch hier sind die Durchgangsöffnungen 25 als einfache Durchgangsbohrungen ausgeführt und die Druckausgleichsmembran 26 liegt unmittelbar auf dem Rand der jeweiligen Durchgangsöffnungen 25 auf. Der Radius R ist in vorteilhafter Weise so zu wählen, dass die Durchgangsöffnungen 25 in einem radialen Bereich liegen, in dem ein Druckunterschied zwischen Verdichtergehäuseinnenraum 31a und Motorgehäuseinnenraum 21a im Betrieb ein Maximum aufweist.
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Da der Druckunterschied im Bereich der Lageranordnung 40 kleiner ist als die maximale Druckdifferenz, kann so im Motorgehäuseinnenraum 21a im Bereich der Lageranordnung 40, also läuferwellennah, ein Überdruck gegenüber dem in diesem radialen Bereich im Verdichtergehäuseinnenraum 31a vorherrschenden Druckniveau erzielt werden, wodurch ein Einspülen von verschmutzter Luft aus dem Verdichtergehäuseinnenraum 31a in die Lageranordnung 40 wirksam verhindert.
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Weiterhin ist die in 2 gezeigte Ausführung dadurch gekennzeichnet, dass die Druckausgleichsmembran 26 den gesamten Flächenbereich der Gehäusetrennwand 22 zwischen einem Lageraufnahmedom 22a für die Lageranordnung 40 und einem Anschlussflansch 22b für eine Topfwand 21c des Motorgehäuses 21 abdeckt. Dadurch erhält die Druckausgleichsmembran 26 eine möglichst große Oberfläche und ein entsprechend vergrößertes Ausdehnungsvermögen bei gleichzeitig reduziertem Gegendruck durch die Druckausgleichsmembran 26. Dies ermöglicht gleichzeitig den Ausgleich höherer Druckunterschiede durch das vergrößerte Druckausgleichsvolumen.
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In diesem Ausführungsbeispiel ist die Druckausgleichsmembran 26 im Bereich des Anschlussflansches 22b mit einem äußeren Klemmring 28 und im Bereich des Lageraufnahmedomes 22a mit einem inneren Klemmring 29 an der Gehäusetrennwand 22 abgedichtet befestigt. Es versteht sich, dass die Druckausgleichsmembran 26 auch in jeder anderen geeigneten Weise an der Gehäusetrennwand 22 oder ggf. auch im Außenbereich an der Topfwand 21c dichtend befestigt sein kann.
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3 zeigt eine weitere Ausführung des erfindungsgemäßen Elektro-Verdichters 1, in gleicher Darstellung wie 2, wobei hier, zur besseren Übersicht, nur noch die hervorzuhebenden Bezugszeichen eingetragen sind. Der Aufbau dieser Ausführung unterscheidet sich von dem in 2 gezeigten Beispiel lediglich dadurch, dass die zumindest eine Durchgangsöffnung 25, die als Durchgangsbohrung ausgeführt ist, in eine auf der dem Motorgehäuseinnenraum 21a zugewandten Seite der Gehäusetrennwand 22 angeordnete, einen Druckausgleichsraum 27 bildende Ausnehmung mündet, wobei der Druckausgleichsraum 27 zum Motorgehäuseinnenraum 21a hin durch die Druckausgleichsmembran 26 dichtend abgedeckt ist. In weiterer Ausgestaltung dieser Ausführungsvariante ist die den Druckausgleichsraum 27 bildende Ausnehmung als konzentrisch um die Läuferdrehachse 15 und den Lageraufnahmedom 22a umlaufende Ringnut 27' ausgebildet. Dies gewährleistet einerseits eine gleichmäßige Druckbeaufschlagung der Druckausgleichsmembran 26 auf dem gesamten Umfang und ermöglicht andererseits auch, zumindest in beschränktem Maße, einen Druckausgleich mit umgekehrten Vorzeichen, durch Einwölbung der Druckausgleichsmembran 26 in den Druckausgleichsraum 27 bzw. die Ringnut 27' hinein.
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4 zeigt eine weitere Ausführung des erfindungsgemäßen Elektro-Verdichters 1, in gleicher Darstellung wie 2 und 3, wobei auch hier, zur besseren Übersicht, nur noch die hervorzuhebenden Bezugszeichen eingetragen sind. Der Aufbau dieser Ausführung unterscheidet sich von dem in 2 gezeigten Beispiel insbesondere dadurch, dass die Druckausgleichseinrichtung 24 mehrere Durchgangsöffnungen 25 aufweist, die als flächige Durchbrüche 25' in der Gehäusetrennwand 22 radial zwischen einem Lageraufnahmedom 22a für die Lageranordnung 40 und dem Anschlussflansch 22b für eine Topfwand 21c des Motorgehäuses 21 gestaltet sind. Der Lageraufnahmedom 22a steht somit mit der Gehäusetrennwand nur noch über mehrere speichenartige Stege 22c in Verbindung. Auch diese Ausführung ermöglicht eine großflächige Beaufschlagung der Druckausgleichsmembran 26 mit dem Differenzdruck zwischen Verdichtergehäuseinnenraum 31a und Motorgehäuseinnenraum 21a uns stellt eine große Druckausgleichsmembranoberfläche zur Verfügung. Auch hier kann ein Druckausgleich mit umgekehrten Vorzeichen, durch Einwölbung der Druckausgleichsmembran 26 in die flächigen Durchbrüche 25' hinein stattfinden. Darüber hinaus ist durch diese Gestaltung das Gewicht des Elektro-Verdichters 1 vorteilhaft reduziert.
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5 zeigt eine weitere Ausführung des erfindungsgemäßen Elektro-Verdichters 1, in weitgehend gleicher Darstellung wie 3, wobei auch hier, zur besseren Übersicht, nur noch die hervorzuhebenden Bezugszeichen eingetragen sind. Der Aufbau dieser Ausführung unterscheidet sich von dem in 23 gezeigten Beispiel insbesondere dadurch, dass die Druckausgleichsmembran nach Art eines Faltenbalgs 26' gestaltet ist. Dies hat den Vorteil, dass die Oberfläche und das Dehnvermögen der Druckausgleichsmembran 26 weiter erhöht und der dem Druckausgleich entgegenwirkende Gegendruck durch die Druckausgleichsmembran 26 weiter reduziert ist.
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6 zeigt schließlich eine Druckausgleichsmembran 26, die in einem Membranträger 60 aufgenommen ist. Ein entsprechendes weiteres Ausführungsbeispiel des Elektro-Verdichters zeichnet sich entsprechend insbesondere dadurch aus, dass die Druckausgleichsmembran 26 in dem Membranträger 60 aufgenommen und mittels diesem an der Gehäusetrennwand 22 oder an einer Topfwand 21c des Motorgehäuses 21 befestigt ist. Das konkret gezeigte Beispiel des Membranträgers 60 weist eine runde Trägerscheibe 61 mit mehreren Membranfenstern, ähnlich den in 4 gezeigten flächigen Durchbrüchen, und einer zentralen Läuferwellenbohrung 62 auf. In den Membranfenstern ist die Druckausgleichsmembran 26 angeordnet und durch die Läuferwellenbohrung 62 ist, im montierten Zustand, die Läuferwelle 14 geführt. Weiterhin weist die Trägerscheibe Schraubenaufnahmebohrungen 63 auf, durch die, im montierten Zustand, Befestigungsschrauben geführt sind, mit denen der Membranträger 60 an der Gehäusetrennwand 22 befestigt ist. Diese Ausführung hat den Vorteil, dass ein Membranträger als vorgefertigtes solides Bauteil zur Verfügung gestellt und auf einfache Weise auch automatisiert an der Gehäusetrennwand bzw. im Motorgehäuse montierte bzw. befestigt werden kann.
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Die Merkmale und Merkmalskombinationen der vorgenannten Ausführungen des erfindungsgemäßen Gegenstandes sind, soweit diese nicht alternativ anwendbar sind oder sich gar gegenseitig ausschließen, einzeln, zum Teil oder insgesamt, auch in gegenseitiger Kombination oder gegenseitiger Ergänzung, in Fortbildung des erfindungsgemäßen Gegenstands anzuwenden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
