-
Die Erfindung betrifft eine Fluid-Kühleinrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einer Vorrichtung zum Ablassen eines Leckagekühlfluids gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 und ein Kraftfahrzeug mit einer Fluid-Kühleinrichtung. Eine solche Fluid-Kühleinrichtung ist bereits mit der
WO 2016/050534 A1 bekannt geworden. Dort wird eine als Antriebsmotor eines Elektrofahrzeugs ausgebildete elektrische Maschine beschrieben, wobei zur Kühlung des Rotors in eine abschnittweise als Hohlwelle ausgeführte Rotorwelle axial ein lanzenförmiges Kühlrohr eingeführt ist, durch welches ein Kühlfluid in einem zwischen diesem und der Rotorwelle vorhandenen Ringraum einströmen und eine Verlustwärm des Rotors aufnehmen kann. Das Kühlrohr ist axial einseitig mit einem ersten Abschnitt an einem feststehenden Trägerelement festgelegt und ragt mit einem zweiten, freien Abschnitt in die Rotorwelle hinein. Das Kühlmittel kann dabei auf derselben Stirnseite der elektrischen Maschine ein- und ausströmen, wodurch lediglich ein beispielsweise als Gleitringdichtung ausgebildetes Dichtelement zwischen dem drehenden Rotor und den dazu feststehenden Elementen der Maschine erforderlich ist. Infolge von Undichtigkeiten kann an dem Dichtelement eine Leckage auftreten, wodurch geringe Mengen des Kühlfluids aus dem Kühlkreislauf austreten, sich in einem dafür ausgebildeten Leckageraum sammeln und dort durch ein Fluid-Ablassventil schließlich aus dem Bereich des Antriebsmotors entfernt werden können.
-
Mit dem
US-Patent Nr. 3,982,794 wird ein beschleunigungskraftbetätigtes Fluid-Ablassventil zur Verwendung in einer Bremsanlage für ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, welches dort für die Regulierung von Flüssigkeit zum Einstellen des Bremsdrucks verwendet wird. Dieses Fluid-Ablassventil kann die Öffnungsstellung und die Schließstellung von einer vorbestimmten Beschleunigung des Fahrzeugs einnehmen.
-
Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, eine Fluid-Kühleinrichtung mit einer alternativen Ausgestaltung des Fluid-Ablassventils bereit zu stellen.
-
Die vorstehend genannte Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Fluid-Kühleinrichtung durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen sowie der nachfolgenden Figurenbeschreibung entnehmbar.
-
Demgemäß wird eine Fluid-Kühleinrichtung für ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, welche einen im Wesentlichen geschlossenen Fluidkreislauf mit einem darin zirkulierenden Kühlfluid umfasst, welches eine Verlustwärme von einem Aggregat des Kraftfahrzeugs zu einem Wärmetauscher abführen kann. Der Fluidkreislauf weist an einer vorbestimmten Position eine Leckagestelle auf, an welcher Kühlfluid aus dem Fluidkreislauf austreten und als Leckagekühlfluid in einen geschlossenen Leckageabschnitt eintreten kann. Der Leckageabschnitt umfasst dabei ein Fluid-Ablassventil mit einer Öffnungs- und einer Schließstellung, durch welches das Leckagekühlfluid bei Einnahme der Öffnungsstellung aus dem Leckageabschnitt in einen außerhalb des Aggregats befindlichen Bereich austreten kann.
-
Die Fluid-Kühleinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass das Fluid-Ablassventil beschleunigungskraftbetätigt ausgebildet ist und die Öffnungsstellung sowie die Schließstellung in Abhängigkeit von einer vorbestimmten Beschleunigung des Kraftfahrzeugs einnehmen kann.
-
Das Leckagekühlfluid kann durch die Wirkung des hier vorgeschlagenen beschleunigungskraftbetätigten Fluid-Ablassventils bei Vorliegen einer bestimmten Beschleunigung des Fahrzeugs selbsttätig aus dem Leckageabschnitt austreten. Ein manuelles Entleeren des Leckageabschnitts und eines gegebenenfalls vorhandenen Sammelbehälters kann somit entfallen. Gleichfalls kann das Fluid-Ablassventil so ausgebildet werden, dass zu dessen Betätigung auf eine Fremdenergie verzichtet werden kann.
-
Des Weiteren kann der Leckageabschnitt konstruktiv klein und raumsparend ausgebildet werden, wobei ein Sammelbehälter für das Leckagefluid entfallen kann. Gewöhnlich ist der Leckageabschnitt an einem Gehäuse des die Verlustwärme abgebenden Aggregats vorgesehen. Durch die vorgeschlagene Lösung kann somit dieses Aggregategehäuse kompakter ausgebildet werden.
-
Sofern es sich bei dem Kühlfluid um eine ökologisch unbedenkliche Flüssigkeit und Menge handelt, kann dieses ohne eine Umweltschädigung in eine Umgebung abgegeben werden. Das Leckagekühlfluid kann grundsätzlich auch von einem im Bereich, insbesondere unter dem betreffenden Aggregat des Fahrzeugs befindlichen Auffangbehälter aufgenommen und dort gesammelt werden. Der Auffangbehälter kann dazu mit dem Aggregategehäuse verbunden oder auch separat von diesem festgelegt werden. Die hier vorgeschlagene Abführung eines Leckagekühlfluids ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn der Anteil des Leckagekühlfluids auf geringe Volumina, insbesondere auf Tropfmengen begrenzt ist.
-
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das Fluid-Ablassventil einen in einer Fahrtrichtung des Kraftfahrzeugs verlagerbaren Ventilkörper aufweisen, welcher in der Schließstellung den Leckageabschnitt nach außen verschließt und der bei Erreichen eines Beschleunigungsgrenzwerts in die Öffnungsstellung gezwungen wird und den Leckageabschnitt zumindest teilweise frei gibt und dadurch öffnet. Das Fluid-Ablassventil kann somit bei einer Beschleunigung des Fahrzeugs die Massenträgheit des Ventilkörpers ausnutzen und sich dieser gegenüber einer Öffnung des Leckageabschnitts verlagern. Als Fahrtrichtung wird dabei vorrangig eine Vorwärtsfahrt oder eine Rückwärtsfahrt des Kraftfahrzeugs betrachtet. Der Beschleunigungsgrenzwert für eine Betätigung des Fluid-Ablassventils ist z.B. durch dessen Masse, Reibwerte oder Rückstellkräfte vorgebbar bzw. einstellbar. Insbesondere kann der Ventilkörper in einer beschleunigungskraftfreien Ausgangsposition die Schließstellung einnehmen. Zum Beispiel kann sich der Ventilkörper wie ein Schlitten auf einer linearen Bahn, welche vorzugsweise zumindest etwa horizontal zum Fahrzeug angeordnet ist, bewegen und infolge einer Fahrzeugbeschleunigung dort verlagern. Ebenso ist eine Bewegung des Ventilkörpers auf einer Kurvenbahn möglich.
-
Gemäß einer günstigen Ausgestaltung kann die Fluid-Kühleinrichtung so ausgebildet werden, dass ein bei einem Betätigungsvorgang des Fluid-Ablassventils infolge eines Übergangs von dessen Schließstellung in dessen Öffnungsstellung aus dem Leckageabschnitt abführbares Abgabevolumen des Leckagekühlfluids auf ein vorbestimmtes Maß begrenzt und kleiner ist als ein Aufnahmevolumen des Leckageabschnitts. Auf diese Weise ist das pro Betätigungsvorgang nach außen abgebbare Volumen des Leckagekühlfluids auf eine maximale Größe begrenzt. Bei eingenommener Öffnungsstellung wird somit das Austreten eines vergleichsweise großen Fluidvolumens vermieden. Beispielsweise kann sich dadurch der Fluidkreislauf bei einem unbeabsichtigt ansteigenden Fluidaustritt an der Leckagestelle, wie einer defekten Dichtung, nicht selbstständig entleeren.
-
Ein derartige Begrenzung des Abgabevolumens kann erfolgen, indem der Ventilkörper des Fluid-Ablassventils mit einem, dem Abgabevolumen entsprechendes Fluidreservoir ausgebildet ist. Das Fluidreservoirs kann in der Schließstellung Leckagekühlfluid aufnehmen und in der Öffnungsstellung zum Austritt aus dem Leckageabschnitt abgeben. Diese Ausgestaltung bietet auch in einem getauchten Zustand des Antriebsaggregats Vorteile, in welchem sich das Antriebsaggregat mit der Austrittsöffnung des Leckageabschnitt unter Wasser befindet. Dabei ist ein von außen in den Leckageabschnitt eindringendes Fluidvolumen auf das zuvor genannte Abgabevolumen begrenzt.
-
Vorzugsweise kann sich die Austrittsöffnung zur Vermeidung eines Fluideintritts im getauchten Zustand in einer geodätisch unteren Position an dem Antriebsaggregat befinden, vorzugsweise etwa zwischen der 5Uhr und der 7Uhr-Position.
-
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Fluid-Kühleinrichtung kann das verlustwärmeerzeugende Aggregat als eine elektrische Maschine zum Antreiben des Kraftfahrzeugs ausgebildet sein. Die elektrische Maschine kann dabei einen Rotor mit einer abschnittweise als Hohlwelle ausgeführten Rotorwelle umfassen, wobei axial in die Rotorwelle ein lanzenförmiges Kühlrohr eingeführt ist, durch welches das Kühlfluid in einem zwischen diesem und der Rotorwelle vorhandenen Ringraum strömen und eine Verlustwärme des Rotors aufnehmen kann. Zwischen dem drehenden Rotor und einem feststehenden Element der elektrischen Maschine ist dabei ein leckagebehaftetes dynamisches Dichtelement vorgesehen, an welchem das Fluid vorbeiströmt. Das bedeutet, dass die Leckagestelle in diesem Fall von dem Dichtelement ausgebildet wird.
-
Gemäß einer besondere Ausführungsform kann der Ventilkörper als ein Gravitationspendelkörper mit einer in der Fahrtrichtung ausgerichteten Pendelebene ausgebildet werden und sich auf einer Kreisbahn bewegen. Der Ventilkörper kann somit infolge einer Fahrzeugbeschleunigung aus dessen geschlossener Ruhelage heraus ausgelenkt werden und das Austreten von Leckagekühlfluid ermöglichen. Bei einer Rücknahme der Beschleunigung kann der Ventilkörper unter dem Einfluss des Schwerefeldes wieder in dessen geschlossene Ausgangsstellung zurückpendeln bzw. zurückkehren. Selbstverständlich kann das Fluid-Ablassventil auch alternativ in einer anderen Bauart realisiert werden.
-
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Kraftfahrzeug mit einer wie vorstehend erläuterten Fluid-Kühleinrichtung.
-
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer in den Figuren dargestellten Ausführungsform beispielhaft erläutert.
-
Es zeigen:
- 1 ein Kraftfahrzeug mit einer Fluid-Kühleinrichtung zur Kühlung eines elektrischen Antriebsaggregats in einer schematischen Darstellung;
- 2 das elektrische Antriebsaggregat von 1 mit einem Fluid-Ablassventil für ein Leckagekühlfluid in einer schematischen Darstellung;
- 3a ein Ausschnitt eines elektrischen Antriebsaggregats mit Blick auf ein geschlossenes Fluid-Ablassventil in einer seitlichen Ansicht gemäß einer zu 2 alternativen Anordnung;
- 3b eine Darstellung gemäß 3a, wobei das Fluid-Ablassventil geöffnet ist.
-
In 1 ist schematisch ein als ein Elektrofahrzeug ausgebildetes Kraftfahrzeug 12 mit einer als elektrische Maschine 40 vorliegenden Antriebsaggregat 13 dargestellt, welche hier auf eine Hinterachse wirkt und Fahrzeugräder antreiben kann. Die von der elektrischen Maschine 40 erzeugte Verlustwärme wird durch eine als ein im Wesentlichen geschlossener Fluidkreislauf 14 vorliegende Fluid-Kühleinrichtung 10 mit einem darin zirkulierenden Kühlfluid abgeführt, welche die Verlustwärme von der elektrischen Maschine 40 zu einem Wärmetauscher 16 abführt.
-
Gemäß der schematischen Darstellung von 2 ist die elektrische Maschine 40 als ein Innnenläufermotor ausgebildet und weist einen drehbaren Rotor 41, ein Gehäuse 42 und einen an diesem angeordneten Stator 43 auf. Der Rotor 41 ist auf einer zumindest abschnittweise als Hohlwelle ausgeführten Rotorwelle 44 festgelegt. Das Kühlfluid kann an einer Stirnseite der Maschine 40 über einen Fluideingang 45 in ein axial in die Rotorwelle 44 eingeführtes und feststehendes lanzenförmiges Kühlrohr 47 einströmen und an einem offenen Ende innerhalb des Rotors 41 in einen zwischen dem Kühlrohr 47 und der Rotorwelle 44 vorhandenen Ringraum 48 eintreten und dabei eine Verlustwärme des Rotors 41 aufnehmen. Beim Verlassen des Rotors strömt das Kühlfluid an einem zwischen der Rotorwelle 44 und einem feststehenden Element der elektrischen Maschine 40, bspw. dem Gehäuse 42 befindlichen leckagebehafteten dynamischen Dichtelement 50 vorbei zu einem Fluidausgang 46. Das Dichtelement 50 liegt hier lediglich beispielhaft als eine axiale Gleitringdichtung vor, wobei ein feststehender Abschnitt 50a an oder fest zu dem Gehäuse 42 und ein rotierender Abschnitt 50b an der Rotorwelle 44 angeordnet ist. An dem Dichtelement 50 tritt zwischen diesen Abschnitt 50a, 50b eine Leckagestelle 18 auf, wodurch in Abhängigkeit von den Betriebsbedingen im Laufe der Lebensdauer eine geringe Teilmenge des Kühlfluids aus dem Fluidkreislauf 14 austreten kann und als Leckagekühlfluid in einen um die Gleitringdichtung herum ringförmig ausgebildeten geschlossenen Leckageabschnitt 20 eintreten kann und dort zumindest zeitweise auch gesammelt werden kann.
-
Zum Entleeren des Leckageabschnitts 20 ist ein Fluid-Ablassventil 22 mit einer Öffnungs- und einer Schließstellung vorgesehen, durch welches das Leckagekühlfluid bei Einnahme der Öffnungsstellung aus dem Leckageabschnitt 20 austreten kann. Das Fluid-Ablassventil 22 ist dazu beschleunigungskraftbetätigt ausgebildet und kann die Öffnungsstellung sowie die Schließstellung in Abhängigkeit von einer vorbestimmten Beschleunigung des Kraftfahrzeugs 12 einnehmen, ohne dazu mit einer Fremdenergie gespeist zu werden. Zu diesem Zweck umfasst das Fluid-Ablassventil 22 einen als ein Gravitationspendelkörper ausgebildeten Ventilkörper 22a, welcher mittels einer Pendelachse 22b im Wesentlichen frei verschwenkbar unmittelbar an einer Stirnfläche 42a an der Außenseite des Gehäuses 42 der elektrischen Maschine 40 angeordnet ist. In der Schließstellung ist eine Austrittsöffnung 20a des Leckageabschnitts 20 durch den Ventilköper 22a fluiddicht abgedeckt und somit nach außen verschlossen.
-
In den 3a, b ist eine gegenüber 2 modifizierte Ausführungsform gezeigt, welche grundsätzlich auf der vorherigen Beschreibung basiert, wobei jedoch im Unterschied zu 2 der Ventilkörper 22a in Form des Gravitationspendelkörpers innerhalb des Gehäuses 42 vorgesehen ist. Der Ventilkörper 22a ist dabei insbesondere innerhalb einer an der Gehäuseaußenseite vorgesehenen zylinderförmigen Ventilkammer 20b des Leckageabschnitts 20 angeordnet. Das Gehäuse 42 bildet in diesem Fall eine Zwischenwand mit einem Fluiddurchgang 20c aus, welches stirnseitig mit einem hier zeichnerisch nicht dargestellten Deckel abgeschlossen wird. Der Ventilkörper 22a bzw. der Pendelkörper ist als ein Ringsegment ausgebildet, welches mit der Innenwand 20d der Ventilkammer 20b zusammenwirkt. Der Ventilkörper 22 weist an einer Position eine radiale Durchgangsöffnung 22c auf, welche beim Verschwenken des Pendelkörpers mit der Austrittsöffnung 20a des Leckageabschnitts 20 in Deckung gebracht werden kann. An einer zu der Austrittsöffnung 20a radial innenliegenden Position ist ein axialer Vorsprung 20e mit einem ringsegmentförmigen äußeren Wandungsbereich 20f ausgebildet. Wie in den 3a erkennbar, greift der der Ventilkörper 22a in der Schließstellung des Fluid-Ablassventils 22 formschlüssig und im Wesentlichen auch fluiddicht in den radialen Zwischenraum zwischen dem Vorsprung 20e und der Innenwand 20d der Ventilkammer 20b ein und verschließt dadurch die Austrittsöffnung 20a. Der Vorsprung 20e bildet gemeinsam mit einem auf der dem Ventilkörper 22 abgewandten Seite befindlichen Vorsprung 20g zwei Anschläge aus, zwischen denen sich der Ventilkörper 22a verlagern kann. In einem getauchten Zustand des Aggregats 13 bzw. der elektrischen Maschine 40 kann somit in der Schließstellung kein Fluid von außen in die Ventilkammer 20b eindringen.
-
Der Ventilkörper 22a kann sich bei den beiden mit den 2, 3 dargestellten Ausführungsbeispielen bei Auftreten einer vorbestimmten Beschleunigung, d.h. bei einer Grenzbeschleunigung des Fahrzeugs in einer in dessen Fahrtrichtung F ausgerichteten Pendelebene auf einer Kreisbahn verlagern und die Austrittsöffnung 20a des Leckageabschnitts 20 freigeben, so dass das dort gegebenenfalls vorhandene Leckagekühlfluid aus dem Maschinengehäuse 42 austreten kann. In 3 ist somit die Öffnungsstellung des Fluid-Ablassventils 22 gezeigt.
-
In der Ausführung gemäß 2 kann die Entleerung des Leckageabschnitts 20 erfolgen, solange sich der Ventilkörper 22a in der Öffnungsstellung befindet. Grundsätzlich kann dadurch in einem Vorgang ein Volumen des Leckagekühlfluids entleert bzw. abgeführt werden, welches gegenüber dem von der Durchgangsöffnung 22c gebildeten Volumen größer ist.
-
Dagegen erfolgt in der Ausführung gemäß der 3a, b eine Entleerung des Leckageabschnitts 20 nicht auf einmal, sondern stufen- bzw. portionsweise. Dabei kann mit Blick auf 3b bei einem Hub des Ventilkörpers 22a jeweils lediglich ein Volumenanteil des Leckagekühlfluids abgeführt werden, welcher dem von der Durchgangsöffnung 22c gebildeten Volumen V1 entspricht.
-
Zudem kann auch im getauchten Zustand des Aggregats 13 bzw. der elektrischen Maschine 40 in der Öffnungsstellung keine merkliche Fluidmenge von außen in die Ventilkammer 20b eindringen, da dieses durch die bevorzugt geodätisch an einer untenliegenden Position des Antriebsaggregats 13 befindlichen Austrittsöffnung 20a infolge des innen wirkenden Gegendrucks verhindert wird. Zum Weiteren wird das Eindringen eines äußeren Fluids durch den an der Durchgangsöffnung 22c radial innen anliegenden geschlossenen Vorsprung 20e verhindert. Ein in der Öffnungsstellung von außen in die Durchgangsöffnung 22c ggf. eindringender Anteil eines Fluids, gewöhnlich Wasser, kann eine größere Dichte als das Kühlfluid bzw. das Leckagekühlfluid aufweisen. Auf diese Weise verbleibt im getauchten Zustand in die Durchgangsöffnung 22c eingetretenes Wasser in diesem Bereich. Unabhängig davon ist ein von außen eindringendes Fluidvolumen mengenmäßig auf das Volumen V1 der Durchgangsöffnung 22c begrenzt. Sobald also die Durchgangsöffnung 22c von außen einmal befüllt wurde und dieser Zustand anhält, kann kein weiteres Fluid in den Ventilkörper 22a eintreten. Ein Eindringen von Fluid in die Ventilkammer 20b, in den Leckageabschnitt 20 und schließlich in den Innenraum des Antriebsaggregats 13 kann somit sicher verhindert werden.
-
Unterhalb der Grenzbeschleunigung, insbesondere in einer beschleunigungskraftfreien Ausgangsposition nimmt der Ventilkörper 22a die Schließstellung gemäß 3a ein. Das Fluid-Ablassventil 22 ist dadurch bei stehenden, abgestellten oder sich gleichförmig bewegenden Fahrzeug geschlossen.
-
Nochmals verallgemeinert ist also ein bei einem Betätigungsvorgang des Fluid-Ablassventils 22 infolge eines Übergangs von dessen Schließstellung in dessen Öffnungsstellung aus dem Leckageabschnitt 20 abführbares Abgabevolumen V1 des Leckagekühlfluids auf ein vorbestimmtes Maß begrenzt und insbesondere auch kleiner als ein Aufnahmevolumen V2 des Leckageabschnitts 20. Dazu weist der Ventilkörper 22a des Fluid-Ablassventils 22 ein mit dem Abgabevolumen V1 ausgebildetes Fluidreservoir 22d auf, welches in der Schließstellung Leckagekühlfluid aufnehmen und in der Öffnungsstellung zum Austritt aus dem Leckageabschnitt 20 abgeben kann.
-
Das austretende Fluid kann von einem unterhalb der elektrischen Maschine 40 vorgesehenen, hier zeichnerisch nicht dargestellten Behälter aufgenommen werden. Der Ventilkörper 22 ist in axialer Richtung vergleichsweise flach, also mit einer geringen Dicke ausgebildet, so dass dieser nur wenig Bauraum beansprucht.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- Fluid-Kühleinrichtung
- 12
- Kraftfahrzeug
- 13
- Antriebsaggregat
- 14
- Fluidkreislauf
- 16
- Wärmetauscher
- 18
- Leckagestelle
- 20
- Leckageabschnitt
- 20a
- Austrittsöffnung
- 20b
- Ventilkammer
- 20c
- Fluiddurchgang
- 20d
- Innenwand
- 20e
- Vorsprung
- 20f
- Wandungsbereich
- 20g
- Vorsprung
- 22
- Fluid-Ablassventil
- 22a
- Ventilkörper
- 22b
- Pendelachse
- 22c
- Durchgangsöffnung
- 22d
- Fluidreservoir
- 40
- elektrische Maschine
- 41
- Rotor
- 42
- Gehäuse
- 42a
- Stirnfläche
- 43
- Stator
- 44
- Rotorwelle
- 45
- Fluideingang
- 46
- Fluidausgang
- 47
- Kühlrohr
- 48
- Ringraum
- 50
- Dichtelement
- 50a
- feststehender Abschnitt
- 50b
- rotierender Abschnitt
- F
- Fahrtrichtung
- V1
- Abgabevolumen
- V2
- Aufnahmevolumen
