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Die Erfindung betrifft ein Entlüftungssystem für eine Flüssigkühleinrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Stand der Technik
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Der Elektromotor eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs bedarf einer leistungsfähigen Kühleinrichtung, da eine effektive Kühlung entscheidenden Einfluss auf die Dauerleistungsfähigkeit geeigneter Antriebsmaschinen für solche Fahrzeuge hat. Besonders die Kühlung des schnelldrehenden Rotors stellt eine besondere technische Herausforderung dar. Elektromotoren (E-Motoren) mit Hohlwellenkühlung sind bekannt, beispielsweise aus der
DE 10 2015 214 309 A1 .
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Die relativ hohe Verlustleistung im E-Motor erfordert die bekannte Hohlwellenkühlung: Über eine statische Lanze wird üblicher Weise Kühlflüssigkeit, auch als Kühlmedium bezeichnet, durch einen Einlass in eine rotierende Hohlwelle gepumpt. Die Kühlflüssigkeit verlässt den Motor wieder durch einen nicht rotierenden Auslass. Die rotierende Hohlwelle wird gegenüber dem statischen Gehäuse mit einer Wellendichtung abgedichtet. Die Anforderungen sind hinsichtlich abzudichtendem Druck und Drehzahl hoch und nicht mehr mit einem herkömmlichen Radialwellendichtring aus einem Polymer abdichtbar. Eine Gleitringdichtung (GLRD) ist erforderlich, die sowohl dem Überdruck als auch der hohen Gleitgeschwindigkeit standhalten kann. Naturgemäß hat die GLRD dampfförmige Leckage. In der Regel ist der Raum, in den die Leckage eintritt, über einen Entlüftungskanal entlüftet, durch das die Leckage aus dem System herausgeführt werden soll. Die Schwierigkeit besteht dabei darin, dass durch den Entlüftungskanal gleichzeitig eine Öffnung geschaffen wird, durch welche Verunreinigungen wie z.B. Schmutz oder Wasser in den Elektromotor eindringen können.
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Aufgabenstellung
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es in einem Kühlmedium einer Flüssigkühleinrichtung vorhandene Gase sicher und zuverlässig zu entfernen, d.h. zu entlüften, wobei eine Verunreinigung des Kühlmediums von der Umgebung her ausgeschlossen wird.
Weitere Aufgabe ist es, die dazu vorgesehene Trenneinrichtung kostengünstig auszuführen und sicherzustellen, dass diese einfach in die Flüssigkühleinrichtung montierbar ist.
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Technische Lösung
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Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Entlüftungssystem mit den Merkmalen von Anspruch 1.
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Das erfindungsgemäße Entlüftungssystem dient einer Flüssigkühleinrichtung eines Elektromotors und besitzt einen Entlüftungskanal. Der Entlüftungskanal bildet eine Verbindung eines mit einem Kühlmedium oder einem KühlSchmiermedium befüllten Raumes der Flüssigkühleinrichtung mit der sich außerhalb der Flüssigkühleinrichtung befindlichen Umgebung, d.h. eine Verbindung der Kühlmediumseite mit der Umgebungsseite des Entlüftungskanals. In dem Entlüftungskanal ist eine Trenneinrichtung angeordnet zum Verhindern eines Eintrags z.B. von Schmutz oder Feuchtigkeit von außen und zum Entlüften von Gas aus dem Kühlmedium nach außen. Die Trenneinrichtung hat also die Funktion, dass Gas aus dem Kühlmedium entweichen kann und die Flüssigkühleinrichtung so entlüftet wird. Erfindungsgemäß besitzt die Trenneinrichtung ein Verschlusselement und ein Gasabscheideelement. Das Verschlusselement und das Gasabscheideelement sind in vorteilhafter Weise in Reihe angeordnet. Das Gasabscheideelement ist nur für Gase durchlässig, nicht jedoch für Flüssigkeiten. So wird eine Entgasung bzw. Entlüftung des Kühlmediums über die Trenneinrichtung ermöglicht. In einer vorteilhaften und daher besonders bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Entlüftungssystems sind das Verschlusselement kühlmediumseitig und das Gasabscheideelement umgebungsseitig und insbesondere beabstandet zueinander, in dem Entlüftungskanal angeordnet. So wird erreicht, dass durch das Verschlusselement Gase aus dem Kühlmedium in den Entlüftungskanal entweichen können und das Gasabscheideelement gleichzeitig nicht in direktem Kontakt mit dem Kühlmedium steht.
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In einer möglichen Ausgestaltung des Entlüftungssystems ist das Verschlusselement als Ventil ausgeführt, nämlich als selbsttätiges Entlüftungsventil. Bei dem Ventil kann es sich dabei insbesondere um ein Kegelschlussventil, ein Einweg-Kugelventil, eine Bischofsmütze, ein Entlüftungsventil mit Schwimmer, ein Schirmventil, ein Lippenventil oder ein Rosettenventil handeln.
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In alternativer Ausgestaltung kann das Verschlusselement als einlagiges oder mehrlagiges Vliesstoffmedium ausgeführt sein. Ein solches ist in vorteilhafter Weise fertigungstechnisch besonders günstig und kann durch entsprechende Auswahl von Vliesstoffmedien und ihre Kombination gemäß den Anforderungen an das Verschlusselement eingestellt werden.
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In einer besonders vorteilhaften und daher bevorzugten Weiterbildung des vorstehend beschriebenen Entlüftungssystems ist das Gasabscheideelement als einlagiges oder mehrlagiges Vliesstoffmedium ausgeführt.
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Insbesondere ist das Vliesstoffmedium mindestens zweilagig ausgebildet und die jeweils äußeren Lagen sind wasserabweisend und ölabweisend ausgebildet. So wird unterstützt, dass keine Feuchtigkeit von außen durch das Gasabscheideelement hindurchgelangt und gleichzeitig das Kühlmedium nicht von der Kühlmediumseite in die Umgebung gelangt.
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Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, das Vliesstoffmedium mindestens dreilagig auszubilden wobei eine mittlere Lage einen Superabsorber enthält. Die Eigenschaft des Superabsorbers ist dabei, dass dieser bei Kontakt mit Wasser bzw. Feuchtigkeit anschwillt bzw. aufquillt und ein weiteres Fortschreiten des Wassers bzw. der Flüssigkeit zur nächsten Lage blockiert. Dies dient also dazu, bei Wasser- bzw. Flüssigkeitskontakt das Vliesstoffmedium zu verschließen. Wasser bzw. Flüssigkeit in der Dampfphase kann hingegen passieren. Nach Rücktrocknung erlangt das Vliesstoffmedium und die mittlere Lage aus Superabsorber wieder seine volle, ursprüngliche Funktionalität. Durch das Vorsehen der mittleren Lage als Superabsorber wird so in vorteilhafter Weise sichergestellt, dass ein Passieren von Wasser bzw. Flüssigkeit des Vliesstoffmediums sicher verhindert wird.
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In vorteilhafter Weiterbildung des Entlüftungssystems ist die Trenneinrichtung als 1 Bauteil (ein Bauteil) ausgeführt, derart, dass Verschlusselement und Gasabscheideelement miteinander verbunden sind, und so am Stück einfach in den Entlüftungskanal einsetzbar. Damit wird eine einfache Montage der Flüssigkühleinrichtung unterstützt.
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Es wurde weiterhin als vorteilhaft erkannt, das Verschlusselement aus Elastomer zu fertigen. Aus Elastomermaterial lassen sich Verschlusselemente unterschiedlichster Geometrie kostengünstig und schnell herstellen. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass keine weiteren Dichtungselemente erforderlich sind, welche das Verschlusselement an seinen Außenflächen gegenüber dem Entlüftungskanal abdichten. Die Funktion des Abdichtens ist bereits in das Verschlusselement aus Elastomer integriert.
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Die Erfindung betrifft auch einen Elektromotor, insbesondere für den Antrieb eines Elektrofahrzeuges, mit einer als Hohlwellenkühlung ausgeführten Flüssigkühleinrichtung. Der Elektromotor weist eine Rotorhohlwelle auf und in der Rotorhohlwelle ist eine Hohllanze angeordnet, welche so ausgebildet ist, dass sie ein Kühlmedium oder ein Kühlschmiermedium in einen Hohlraum der Rotorhohlwelle abgeben kann. Die Flüssigkühleinrichtung verfügt in vorteilhafter Ausgestaltung über ein Entlüftungssystem wie es obenstehend beschrieben ist. Dadurch kann sich in dem Kühlmedium oder Kühlschmiermedium befindliches oder gebildetes Gas entfernt werden und die Leistungsfähigkeit der Flüssigkühleinrichtung bleibt erhalten.
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Die beschriebene Erfindung und die beschriebenen vorteilhaften Weiterbildungen der Erfindung stellen auch in Kombination miteinander - soweit dies technisch sinnvoll ist - vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung dar.
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Hinsichtlich weiterer Vorteile und in konstruktiver und funktioneller Hinsicht vorteilhafter Ausgestaltungen der Erfindung wird auf die Unteransprüche sowie die Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren verwiesen.
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Figurenliste
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Die Erfindung soll an Hand beigefügter Figuren noch näher erläutert werden. Einander entsprechende Elemente und Bauteile sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen. Zugunsten einer besseren Übersichtlichkeit der Figuren wurde auf eine maßstabsgetreue Darstellung verzichtet. Es zeigen in schematischer Darstellung
- 1 eine erste Ausführungsform eines Entlüftungssystems
- 2 eine zweite Ausführungsform eines Entlüftungssystems
- 3 eine dritte Ausführungsform eines Entlüftungssystems
- 4 eine vierte Ausführungsform eines Entlüftungssystems
- 5 eine fünfte Ausführungsform eines Entlüftungssystems
- 6 ein mehrlagiges Vliesstoffmedium
- 7 einen Elektromotor mit Flüssigkühleinrichtung
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In den 1 - 5 sind Entlüftungssysteme dargestellt. Das Entlüftungssystem 10 besitzt einen Entlüftungskanal 1, welcher einen mit Kühlmedium 111 befüllten Raum mit der Umgebung 1000 außerhalb des Elektromotors 100 verbindet. In dem Entlüftungskanal 1 ist eine Trenneinrichtung 2 vorgesehen, welche dazu dient, dass Gas 20 aus dem Kühlmedium 111 austreten kann und das Kühlmedium 111 und die Flüssigkühleinrichtung des Elektromotors 100 damit entlüftet wird. Die Trenneinrichtung 2 kann dabei unterschiedlich Ausgestaltungen aufweisen. Die Trenneinrichtung 2 besitzt in allen Ausführungsformen ein Verschlusselement 3, welches kühlmediumseitig in dem Entlüftungskanal 1 angeordnet ist und ein Gasabscheideelement 4, welches umgebungsseitig in dem Entlüftungskanal 1 angeordnet ist. Verschlusselement 3 und Gasabscheideelement 4 sind also beabstandet zueinander und in Reihe geschaltet in dem Entlüftungskanal 1 angeordnet. Bei der Entlüftung des Kühlmediums 111 entweicht Gas 20 zuerst durch das Verschlusselement 3 hindurch und danach durch das Gasabscheideelement 4. Das Gasabscheideelement 4 ist dabei als Vliesstoffmedium ausgeführt. Das Gasabscheideelement kann dabei als mehrlagiges Vliesstoffmedium ausgeführt sein, wie dies beispielhaft in 7 dargestellt ist. Das Vliesstoffmedium 4 kann dreilagig ausgebildet sein, wobei die jeweils äußeren Lagen 4.1 wasser- und ölabweisend ausgeführt sind. Die mittlere Lage 4.2 enthält Superabsorber, welche bei Kontakt mit Wasser bzw. Feuchtigkeit anschwellen bzw. aufquellen.
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1 zeigt eine erste Ausführungsform eines Entlüftungssystems 10 für einen Elektromotor 100 mit Flüssigkühleinrichtung. In dieser Ausführungsform ist das Verschlusselement 3 in Form einer Bischofsmütze ausgebildet. Die Bischofsmütze kann beispielsweise aus einem Elastomer gefertigt sein. Sammelt sich Gas 20 aus dem Kühlmedium 111 an dem Verschlusselement 3 an, so wird die Membran der Bischofsmütze verformt und eine Öffnung in der Bischofsmütze freigegeben, sodass das Gas durch das Verschlusselement 3 hindurch weiter durch den Entlüftungskanal 1 entströmen kann. Das Gasabscheideelement 4 ist durchlässig für das Gas, sodass es zu einem Gasaustritt 20 an die Umgebung 1000 kommt.
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In 2 ist eine zweite Ausführungsform eines Entlüftungssystems 10 dargestellt. Das Verschlusselement 3 der Trenneinrichtung 2 im Entlüftungskanal 1 ist als Kugelverschlussventil ausgeführt. In der Übersichtsdarstellung ist das Kugelverschlussventil geschlossen, in dem rechts daneben dargestellten Ausschnitt ist das Kugelverschlussventil geöffnet. In dem Kühlmedium 111 angesammeltes Gas 20 drückt die Kugel des Kugelventils gegen eine Feder, sodass das Gas 20 entweichen und weiter durch den Entlüftungskanal 1 strömen kann.
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In 3 ist eine dritte Ausführungsform eines Entlüftungssystems 10 dargestellt. Das Verschlusselement 3 ist als Membran ausgebildet. Sammelt sich Gas 20 in dem Bereich der Membran an, so wird diese durch den anliegenden Druck verformt, wie dies durch die gestrichelte Linie dargestellt ist, und dadurch geöffnet, sodass Gas 20 entweichen und weiter durch den Entlüftungskanal 1 strömen kann. Liegt kein Gasdruck mehr an der Membran an, so erfolgt eine Rückstellung in die ursprüngliche Form der Membran, derart, dass das Verschlusselement 3 wieder geschlossen wird.
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Dort wo der Entlüftungskanal 1 in die Umgebung 1000 des Elektromotors 100 führt, kann eine Schutzkappe 5 vorgesehen sein, welche nur kleinere Öffnungen besitzt und so ein Eindringen von grobem Schmutz in den Entlüftungskanal 1 verhindert. Grober Schmutz kann so von dem Gasabscheideelement 4 ferngehalten werden. Während eine solche Schutzkappe 5 nur beispielhaft in den 3 und 4 für die dritte und vierte Ausführungsform des Entlüftungssystems 10 angedeutet ist, können solche Schutzkappen 5 bei jeder möglichen Ausführungsform des Entlüftungssystems 10 Verwendung finden.
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In der in 4 dargestellten vierten Ausführungsform eines Entlüftungssystems 10 ist das Verschlusselement als Kegelverschluss (Schwimmer) ausgeführt. Das Verschlusselement hat die Form eines Kegels, welcher mit seiner Mantelfläche gegen Abdichtflächen gepresst wird. Die Kraft für das Anpressen des Kegels wird durch ein Aufschwimmen des Kegels auf dem Kühlmedium 111 gebildet. Dazu ist die Form der Dichtflächen komplementär zur Form der Mantelfläche des Schwimmkörpers ausgeführt. Sammelt sich Gas 20 an dem Schwimmkörper an, so wird dieser zu seiner Kühlmediumseite verschoben und das Gas 20 kann entweichen und weiter durch den Entlüftungskanal 1 strömen.
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Eine fünfte Ausführungsform eines Entlüftungssystems 10 ist in 5 dargestellt. Dabei ist auch das Verschlusselement 3 als Vliesstoffmedium ausgeführt. Ein solches Trennelement 2 hat einen besonders einfachen Aufbau und lässt sich kostengünstig herstellen.
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7 zeigt einen Elektromotor 100 mit Flüssigkühleinrichtung, wobei nur ein Ausschnitt des Elektromotors 100 dargestellt ist. Die Flüssigkühleinrichtung ist dabei als Hohlwellenkühlung ausgeführt: Über eine statische Hohllanze 103 wird Kühlmedium 111 durch den Einlass 112 in die rotierende Hohlwelle 109 gepumpt. Bei dem Kühlmedium 111 kann es sich beispielsweise um eine Wasser-Glycolmischung handeln.
Das Kühlmedium verlässt den Elektromotor 100 wieder durch den nichtrotierenden, statischen Auslass 113. Zur Abdichtung der rotierenden Hohlwelle 9 gegenüber dem statischen Gehäuse 104 des Elektromotors 100 ist eine Wellendichtung 110 vorgesehen. Die Wellendichtung 110 kann dabei eine dampfförmige Leckage aufweisen, sodass der Raum 114 als Dampfleckageraum bezeichnet werden kann. Um nun eine Entlüftung des Dampfleckageraums 114 und damit des Elektromotor 100 insgesamt zu ermöglichen, ist ein Entlüftungskanal 1 in dem Gehäuse 104 vorgesehen, welcher den mit Kühlmedium 111 befüllten Raum des Elektromotors 100 mit der Umgebung 1000 außerhalb des Elektromotors 100 verbindet. In dem Entlüftungskanal 1 ist eine Trenneinrichtung 2 angeordnet, welche die bereits vorstehend beschriebene Ausgestaltung aus in Reihe geschaltetem Verschlusselement 3 und Gasabscheideelement 4 besitzen kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Entlüftungskanal
- 2
- Trenneinrichtung
- 3
- Verschlusselement
- 4
- Gasabscheideelement (Vliesstoffmedium)
- 4.1
- wasser- und ölabweisende Lage
- 4.2
- Lage mit Superabsorbern
- 5
- Schutzkappe
- 10
- Entlüftungssystem
- 20
- Gas / Gasaustritt
- 100
- Elektromotor mit Flüssigkühleinrichtung
- 101
- Motorinnenraum
- 102
- Motoraußenraum
- 103
- Hohllanze (statisch)
- 104
- Gehäuse
- 108
- Lager
- 109
- Rotorhohlwelle
- 110
- Wellendichtung
- 111
- Kühlmedium
- 112
- Einlass Kühlmedium
- 113
- Auslass Kühlmedium
- 114
- Dampfleckageraum
- 1000
- Umgebung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015214309 A1 [0002]
