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Die Erfindung betrifft eine Verdrängermaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Fahrzeug, insbesondere ein batterieelektrisches Fahrzeug oder Brennstoffzellenfahrzeug, mit einer solchen Verdrängermaschine sowie die Verwendung einer solchen Verdrängermaschine.
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Eine Verdrängermaschine der eingangs genannten Art ist beispielsweise aus
WO 2017/108572 A1 bekannt. Bei der bekannten Verdrängermaschine wird das Arbeitsmittel, das auch als Kältemittel bezeichnet wird, über einen Motorabschnitt der Verdrängermaschine in den Verdichterabschnitt geführt. Der Motorabschnitt, der einen Elektromotor umfasst, welcher den Verdichter im Verdichterabschnitt antreibt, wird somit über das Arbeitsmittel gekühlt.
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Bisher ist es im Stand der Technik bei Verdrängermaschinen nach dem Spiralprinzip, sogenannten Scrollkompressoren, generell üblich, das Arbeitsmittel, das im Scrollkompressor verdichtet werden soll, durch den Motorabschnitt zu leiten, um dadurch den Elektromotor zu kühlen. Meist wird das Arbeitsmittel auch über einen Inverter des Elektromotors geleitet, um dessen Wärmeverluste ebenfalls aufzunehmen. Während also der Inverter und der Elektromotor durch das Arbeitsmittel abgekühlt werden, nimmt das Arbeitsmittel Wärmeenergie auf und wird somit vor dem Eintritt in den Verdichterabschnitt vorgewärmt. Durch die höhere Temperatur des Arbeitsmittels reduziert sich dessen Dichte, so dass der von dem Verdichterabschnitt geförderte Arbeitsmittelmassenstrom reduziert wird. Hinzu kommen Druckverluste, die beim Durchströmen des Motorabschnitts entstehen, wobei diese Druckverluste zusätzlich die Dichte des Arbeitsmittels beim Einströmen in den Verdichterabschnitt reduzieren.
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Bei dieser Art einer Kühleinrichtung für den Elektromotor wird folglich in Kauf genommen, dass das Arbeitsmittel mit einer reduzierten Dichte in den Verdichterabschnitt eintritt, was die Kälteleistung des Gesamtsystems reduziert. Gleichzeitig bewirken die Temperaturerhöhung des Arbeitsmittels vor dem Eintritt in den Verdichterabschnitt und die Druckverluste im Motorabschnitt, dass die Austrittstemperatur des Arbeitsmittels der Verdrängermaschine erhöht ist. Die im Motorabschnitt entstehenden Druckverluste haben außerdem zur Folge, dass sich das Druckverhältnis im Arbeitsmittelkreislauf erhöht und damit eine erhöhte Antriebsleistung der Verdrängermaschine erforderlich ist.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die thermische Effizienz einer Verdrängermaschine nach dem Spiralprinzip gegenüber dem Stand der Technik zu verbessern. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein Fahrzeug mit einer solchen Verdrängermaschine sowie die Verwendung einer solchen Verdrängermaschine anzugeben.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe im Hinblick auf die Verdrängermaschine durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1, im Hinblick auf das Fahrzeug durch den Gegenstand des Patentanspruchs 10 und im Hinblick auf die Verwendung durch den Gegenstand des Patentanspruchs 12 gelöst.
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So beruht die Erfindung auf dem Gedanken, eine Verdrängermaschine nach dem Spiralprinzip, insbesondere einen Scrollverdichter, anzugeben, wobei die Verdrängermaschine einen Verdichterabschnitt und einen Motorabschnitt aufweist. Im Verdichterabschnitt sind eine orbitierende Verdrängerspirale und eine Gegenspirale angeordnet, die so ineinandergreifen, dass zwischen der Verdrängerspirale und der Gegenspirale variable Verdichtungskammern gebildet sind, um ein durch einen Arbeitsmittelkreislauf strömendes Arbeitsmittel aufzunehmen und zu verdichten. Im Motorabschnitt ist ein Elektromotor angeordnet, der mit der Verdrängerspirale antriebsverbunden ist, wobei eine Kühleinrichtung zum Kühlen des Elektromotors vorgesehen ist. Erfindungsgemäß ist die Kühleinrichtung von dem Arbeitsmittelkreislauf unabhängig.
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Mit anderen Worten ist bei der Erfindung im Unterschied zum Stand der Technik vorgesehen, die Kühlung des Elektromotors bzw. des Motorabschnitts unabhängig vom Arbeitsmittelkreislauf zu gestalten. Insofern ist also eine Funktionstrennung beabsichtigt, bei welcher die Funktion des Kühlens des Elektromotors zumindest teilweise von der Funktion des Arbeitsmittels getrennt ist. Das schließt nicht aus, dass es Ausführungsformen der Erfindung gibt, bei welchen weiterhin Arbeitsmittel durch den Motorabschnitt strömt. Der Motorabschnitt, insbesondere der Elektromotor, wird jedoch zumindest zusätzlich durch eine separate Kühleinrichtung gekühlt, so dass das Arbeitsmittel die Abwärme des Elektromotors nicht notwendigerweise vollständig aufnimmt. Vielmehr bleibt das Arbeitsmittel auf einem relativ niedrigen Temperaturniveau, so dass das Arbeitsmittel mit einer im Vergleich zum Stand der Technik höheren Dichte in den Verdichterabschnitt eintritt. Die Kälteleistung des Gesamtsystems wird dadurch effizient gesteigert.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst der Arbeitsmittelkreislauf einen Verdichterzulauf, der direkt, insbesondere von außerhalb der Verdrängermaschine direkt, in den Verdichterabschnitt mündet. Dabei kann der Arbeitsmittelkreislauf vollständig unabhängig vom Motorabschnitt der Verdrängermaschine ausgebildet sein, so dass kein Arbeitsmittel durch den Motorabschnitt strömt. Das Arbeitsmittel strömt folglich direkt in den Verdichterabschnitt, ohne vorher Wärmeenergie aus dem Motorabschnitt aufzunehmen. Alternativ kann vorgesehen sein, dass der Arbeitsmittelkreislauf aufgeteilt wird, so dass ein erster Teil des Arbeitsmittels durch den Motorabschnitt strömt und zur Kühlung des Elektromotors beiträgt und ein zweiter Teil über den Verdichterzulauf direkt in den Verdichterabschnitt gelangt und so nicht zur Kühlung des Elektromotors genutzt wird. Beide vorgenannten Alternativen erhöhen weiter die Kälteleistung des Gesamtsystems.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Kühleinrichtung einen Kühlmittelkreislauf auf. Die Kühlung des Elektromotors, insbesondere des Motorabschnitts, kann also über einen separaten Kühlmittelkreislauf erfolgen, wobei der Kühlmittelkreislauf vorzugsweise vollständig fluidunabhängig vom Arbeitsmittelkreislauf ist. Insbesondere besteht kein Fluidaustausch zwischen dem Arbeitsmittelkreislauf und dem Kühlmittelkreislauf.
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Die Kühleinrichtung, insbesondere der Kühlkreislauf, kann mit dem Arbeitsmittelkreislauf oder einem Bypass des Arbeitsmittelkreislaufs hingegen thermisch gekoppelt sein. Insbesondere kann die thermische Kopplung mittels eines Wärmetauschers erfolgen. Generell ist es also möglich, dass eine thermische Kopplung zwischen dem Arbeitsmittelkreislauf und der Kühleinrichtung besteht, so dass das Arbeitsmittel ebenfalls durch die Kühleinrichtung gekühlt wird. Die Kühlung des Arbeitsmittels oder eines Teils des Arbeitsmittels ist insbesondere zweckmäßig, wenn das Arbeitsmittel oder ein Teil davon durch den Motorabschnitt geleitet wird. Wenn der Arbeitsmittelkreislauf oder ein Bypass des Arbeitsmittelkreislaufs den Motorabschnitt umfasst, kann insbesondere vor oder nach dem Motorabschnitt eine thermische Kopplung zwischen dem Arbeitsmittelkreislauf und der Kühleinrichtung vorgesehen sein.
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Beispielswiese kann vor dem Eintritt des Arbeitsmittels in den Motorabschnitt, d.h. vor einem Motorzulauf, ein Wärmetauscher vorgesehen sein, der den Arbeitsmittelkreislauf oder den Bypass des Arbeitsmittelkreislaufs mit einem Kühlmittelkreislauf koppelt. Dadurch wird das Arbeitsmittel vorgekühlt und wird durch die Aufnahme von Wärmeenergie beim Durchströmen des Motorabschnitts auf ein geringeres Temperaturniveau als ohne Vorkühlung erwärmt. Besonders bevorzugt ist es allerdings, wenn der Wärmetauscher, der den Arbeitsmittelkreislauf oder dessen Bypass mit dem Kühlmittelkreislauf thermisch koppelt, zwischen dem Motorabschnitt und dem Verdichterabschnitt, insbesondere einem Kammerzulauf des Verdichterabschnitts, vorgesehen ist. Insbesondere kann der Wärmetauscher zwischen dem Motorabschnitt und einem Kammerzulauf des Verdichterabschnitts vorgesehen sein. Das Arbeitsmittel, das durch die Aufnahme von Wärmeenergie im Motorabschnitt vorgewärmt wird, wird so vor der Zuführung in den Verdichterabschnitt bzw. dessen Kammerzulauf wieder abgekühlt und kann so eine höhere Kompressionsenergie aufnehmen.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Kühlmittelkreislauf vollständig außerhalb des Elektromotors angeordnet ist. Beispielsweise kann der Kühlmittelkreislauf Kanäle innerhalb eines Gehäuses des Motorabschnitts aufweisen. Das Kühlmittel durchströmt diese Kanäle und nimmt dabei die Wärme des im Motorabschnitt angeordneten Elektromotors auf.
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Alternativ ist es möglich, dass sich der Kühlmittelkreislauf zumindest abschnittsweise durch den Elektromotor erstreckt. Im Unterschied zum Stand der Technik, bei welchem Arbeitsmittel durch den Elektromotor strömt, ist bei dieser Ausführungsform also vorgesehen, dass ein vom Arbeitsmittel separates Kältemittel den Elektromotor durchströmt. Wenn der Kühlmittelkreislauf zumindest abschnittsweise durch den Elektromotor verläuft, ist die Kühlfunktion für den Elektromotor vollständig unabhängig vom Arbeitsmittelkreislauf. Zweckmäßig ist es bei einer solchen Variante, wenn zumindest der Stator von arbeitsmittelführenden Bereichen der Verdrängermaschine fluiddicht getrennt ist. Dies kann beispielsweise durch einen Spalttopf erreicht werden, der den Stator hermetisch vom Rotor des Elektromotors trennt. Hierzu wird auf die am gleichen Tag eingereichte deutsche Patentanmeldung mit dem Titel „Kältemittelverdichter“ verwiesen, die auf dieselbe Anmelderin zurückgeht.
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Bei der erfindungsgemäßen Verdrängermaschine kann außerdem ein Inverter zur elektrischen Ansteuerung des Elektromotors vorgesehen sein. Vorzugsweise ist die Kühleinrichtung, insbesondere der Kühlmittelkreislauf, thermisch mit dem Inverter gekoppelt. Im Inverter entstehen Wärmeverluste, d.h. Wärmeenergie, die zur Vermeidung einer Überhitzung des Inverters abzuführen ist. Dies kann effizient durch die Kühleinrichtung erfolgen, die unabhängig vom Arbeitsmittelkreislauf ist. Auf diese Weise wird ebenfalls das aus dem Stand der Technik bekannte Problem vermieden, dass sich das Arbeitsmittel bei der Wärmeabfuhr der Verlustwärme des Inverters aufwärmt und noch vor dem Eintritt in den Verdichterabschnitt an Dichte verliert. Die Kühlung des Inverters über die vom Arbeitsmittelkreislauf unabhängige Kühleinrichtung dient also weiter der Steigerung der Kälteleistung des Gesamtsystems.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Inverter am Gehäuse des Motorabschnitts befestigt oder in das Gehäuse des Motorabschnitts integriert. Die Kühleinrichtung kann somit ebenfalls in dem Motorabschnitt integriert werden, wodurch eine besonders kompakte und dennoch leistungsstarke Verdrängermaschine bereitgestellt wird.
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Alternativ kann der Inverter auch konstruktiv unabhängig vom Motorabschnitt und Verdichterabschnitt vorgesehen sein. Eine solche Gestaltung hat Vorteile, wenn aufgrund von Bauraumanforderungen, beispielsweise in einem Fahrzeug, eine unmittelbare Kopplung des Inverters an den Motorabschnitt nicht zweckmäßig ist.
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Der Inverter kann dennoch thermisch mit der Kühleinrichtung gekoppelt sein, wobei in solchen Fällen eine Kühleinrichtung bevorzugt ist, die einen Kühlmittelkreislauf umfasst. So kann eine einheitliche Flüssigkeits-Kühleinrichtung eingesetzt werden, um sowohl den Inverter, als auch den vom Inverter unabhängig verbauten Motorabschnitt zu kühlen.
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Es ist auch möglich, dass die Kühleinrichtung Wärmeleitrohre (heat pipes) aufweist. Die Kühlung des Elektromotors und gegebenenfalls auch des Inverters kann also über eine Kühleinrichtung erfolgen, die Wärmeleitrohre umfasst. Eine solche Kühleinrichtung kann zusätzlich einen Kühlmittelkreislauf aufweisen. Es ist in diesem Zusammenhang auch möglich, dass bei getrennter Anordnung von Inverter und Motorabschnitt für den Inverter und den Motorabschnitt jeweils separate Wärmeleitrohre vorgesehen sind. Generell kann vorgesehen sein, dass für die Kühlung des Elektromotors und die Kühlung des Inverters, voneinander getrennte Kühleinrichtungen eingesetzt werden.
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Ein nebengeordneter Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug, insbesondere ein mehrspuriges Kraftfahrzeug, mit einer zuvor beschriebenen Verdrängermaschine. Das Fahrzeug bzw. mehrspurige Kraftfahrzeug ist vorzugsweise ein batterieelektrisches Fahrzeug oder ein Brennstoffzellenfahrzeug. Die vorgenannten Fahrzeugtypen weisen üblicherweise einen relativ großen Speicher für elektrische Energie auf, so dass sich diese Fahrzeugtypen besonders für die separate Kühlung des Motorabschnitts bzw. Elektromotors der Verdrängermaschine eignen. Vorkehrungen hierfür sind bereits im Fahrzeug vorhanden, so dass sich die Verdrängermaschine besonders einfach in solche Fahrzeuge integrieren lässt. Gerade bei diesen Fahrzeugen ist eine hohe Effizienz vorteilhaft, die mit der oben beschriebenen Verdrängermaschine erreicht wird, da die Kälteleistung des Gesamtsystems verbessert wird.
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Bei einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Fahrzeugs ist vorgesehen, dass der Inverter konstruktiv unabhängig vom Motorabschnitt und/oder vom Verdichterabschnitt im Fahrzeug angeordnet ist. Eine solche Gestaltung ist vorteilhaft, um beispielsweise den Bauraum in derartigen Fahrzeugen optimal auszunutzen. Die unabhängige Anordnung des Inverters kann auch vorgesehen sein, um den Inverter an einer wartungsfreundlichen Stelle zu platzieren oder mit anderen elektronischen Bauelementen des batterieelektrischen Fahrzeugs bzw. Brennstoffzellenfahrzeugs zu kombinieren.
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Die hier beschriebene Verdrängermaschine hat den Vorteil, dass sie einerseits zum Kühlen eingesetzt werden kann, wobei die Verdrängermaschine als Kältemittelverdichter verwendet wird. Dieselbe Verdrängermaschine kann jedoch auch zum Heizen eingesetzt werden, wobei die Verdrängermaschine dann als Wärmepumpe wirkt. Dies kann einfach dadurch erfolgen, dass der Arbeitsmittelstrom umgekehrt wird, das Arbeitsmittel also im Verdichterabschnitt nicht verdichtet, sondern vielmehr expandiert wird. Insofern ist ein separater Aspekt der Erfindung darauf gerichtet, die Verwendung der zuvor beschriebenen Verdrängermaschine als Kältemittelverdichter zum Kühlen und/oder als Wärmepumpe zum Heizen anzugeben.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die folgenden, schematischen Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen
- 1 eine Querschnittsansicht einer Verdrängermaschine aus dem Stand der Technik;
- 2 eine Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Verdrängermaschine nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel; und
- 3 eine Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Verdrängermaschine nach einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel.
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1 zeigt eine Verdrängermaschine 100 nach der herkömmlichen Bauart. Die Verdrängermaschine 100 weist einen Motorabschnitt 10, einen Verdichterabschnitt 20 und einen Hochdruckabschnitt 30 auf. Im Motorabschnitt 10 ist ein Elektromotor 11 angeordnet, der eine Antriebswelle 12 antreibt. Die Antriebswelle 12 ist in einem motorseitigen Lager 13 und einem verdichterseitigen Lager 24 gelagert.
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Das motorseitige Lager 13 ist in einem Gehäuseboden 16 eines Motorgehäuses 15 angeordnet. Das Motorgehäuse 15 nimmt den Elektromotor 11 auf. Ein Inverter 17 ist in den Gehäuseboden 16 integriert bzw. an dem Gehäuseboden 16 angeordnet.
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Das verdichterseitige Lager 24 ist im Verdichterabschnitt 20 angeordnet. Die Antriebswelle 12 ist im Verdichterabschnitt 20 über ein Exzenterlager 25 mit einer Verdrängerspirale 21 verbunden. Das Exzenterlager 25 dient dazu, die Verdrängerspirale 21 in eine orbitierende Bewegung zu versetzen.
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Die Verdrängerspirale 21 greift in eine Gegenspirale 22 ein, so dass zwischen der Verdrängerspirale 21 und der Gegenspirale 22 eine Verdichtungskammer 23 gebildet ist oder mehrere Verdichtungskammern 23 gebildet sind. Die bzw. jede Verdichtungskammer 23 ist variabel, wobei sich die Variabilität auf das Volumen der Verdichtungskammer 23 in Abhängigkeit von der Lage der Verdrängerspirale 21 bezieht.
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Der Verdichterabschnitt 20 umfasst ein Verdichtergehäuse 28, das die Verdrängerspirale 21, die Gegenspirale 22 und die Verdichtungskammer 23 umgibt. Das Verdichtergehäuse 28 ist mit dem Motorgehäuse 15 verbunden.
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Der Hochdruckabschnitt 30 schließt sich an den Verdichterabschnitt 20 an und umfasst ein Hochdruckgehäuse 33, das eine Hochdruckkammer 31 umschließt. Das Hochdruckgehäuse 33 ist fest mit dem Verdichtergehäuse 28 verbunden. Es ist auch möglich, dass das Verdichtergehäuse 28 und das Hochdruckgehäuse 33 einstückig ausgebildet sind. Der Hochdruckabschnitt 30 umfasst einen Arbeitsmittelaustritt 32, der sich als Kanal durch das Hochdruckgehäuse 33 erstreckt und die Hochdruckkammer 31 mit der Umgebung verbindet.
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Bei der Verdrängermaschine 100 aus dem Stand der Technik strömt ein Arbeitsmittel 40, das vorzugsweise als Kältemittel ausgebildet ist, über einen Motorzulauf 14 in den Motorabschnitt 10 ein. Das Arbeitsmittel 40 durchströmt dann den Elektromotor 11, wobei es vorzugsweise durch Kanäle im Stator 11a oder durch einen Luftspalt zwischen dem Stator 11a und einem Rotor 11b hindurchgeleitet wird. Durch den Luftspalt kann sich auch ein Spalttopf erstrecken, der den Rotor 11b fluiddicht vom Stator 11a trennt. Ein mit einem solchen Spalttopf ausgestatteter Verdichter ist in der auf die Anmelderin zurückgehenden deutschen Patentanmeldung beschrieben, die am selben Tag angemeldet ist und den Titel „Kältemittelverdichter“ trägt.
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Das Arbeitsmittel 40 gelangt in den Verdichterabschnitt 20 und wird im Verdichterabschnitt 20 über einen Kammerzulauf 26 in die variable Verdichtungskammer 23 geleitet. Über die Bewegung der Verdrängerspirale 21 gegenüber der Gegenspirale 22 und die daraus resultierende Volumenänderung der Verdichtungskammer 23 wird das Arbeitsmittel 40 komprimiert und gelangt unter hohem Druck in die Hochdruckkammer 31. Das Arbeitsmittel 40 verlässt dann über den Arbeitsmittelaustritt 32 die Verdrängermaschine 100. Der Verlauf des Arbeitsmittels 40 ist in den beigefügten Figuren jeweils durch gestrichelte Pfeile dargestellt.
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Bei der Verdrängermaschine 100 aus dem Stand der Technik gemäß 1 wird das Arbeitsmittel 40 also nicht nur genutzt, um im Verdichterabschnitt 20 verdichtet zu werden, sondern dient gleichzeitig zum Kühlen des Elektromotors 11 im Motorabschnitt 10. Die Kühlung des Elektromotors 11 erfolgt dadurch, dass das Arbeitsmittel 40 Wärmeenergie des Elektromotors 11 aufnimmt und sich dabei erwärmt. Die Temperatur des Arbeitsmittels 40 steigt also im Motorabschnitt 10, wodurch die Dichte des Arbeitsmittels 40 abnimmt. Das Arbeitsmittel 40 weist beim Eintritt in den Verdichterabschnitt 20 eine kleinere Dichte als beim Eintritt in den Motorabschnitt 10 auf. Das hat zur Folge, dass das Arbeitsmittel 40 eine geringere Kompressionsenergie im Verdichterabschnitt aufnehmen kann, als dies möglich wäre, wenn das Arbeitsmittel 40 keine Temperaturerhöhung im Motorabschnitt 10 erfahren würde. Die beim Durchströmen des Motorabschnitts 10 auftretenden Druckverluste für das Arbeitsmittel 40 tragen zu diesem Effekt zusätzlich nachteilhaft bei.
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2 zeigt eine erfindungsgemäße Möglichkeit, diese negativen Effekte zu vermeiden. Konkret ist die Verdrängermaschine 100 gemäß 2 im Wesentlichen identisch zur Verdrängermaschine 100 gemäß 1 aufgebaut. Ergänzend ist lediglich vorgesehen, dass der Motorabschnitt 10, insbesondere der Elektromotor 11 durch eine vom Arbeitsmittelkreislauf des Arbeitsmittel 40 unabhängige Kühleinrichtung 18 gekühlt wird. Bei dem in 2 schematisch dargestellten Beispiel erfolgt die Kühlung des Motorabschnitts 10 über eine Mantelkühlung des Motorgehäuses 15. Diese Mantelkühlung kann generell durch unterschiedliche Kühlelemente, beispielsweise über Wärmeleitrohre (heat pipes) oder andere Kühlkomponenten gelöst werden.
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Besonders bevorzugt ist es, einen Kühlmittelkreislauf einzurichten, der ein Kühlmittel 50 aufweist, das in einem vom Arbeitsmittelkreislauf unabhängigen Kühlmittelkreislauf zirkuliert. Das Kühlmittel 50 kann beispielsweise Wasser sein.
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Insofern kann also vorgesehen sein, dass der Motorabschnitt 10 eine äußere Wasserkühlung aufweist.
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Die Mantelkühlung bzw. Kühleinrichtung 18 erstreckt sich vorzugsweise über den gesamten Umfang des Motorabschnitts 10. Zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Kühleinrichtung 18 thermisch mit dem Gehäuseboden 16 und/oder dem Inverter 17 gekoppelt ist. Insbesondere kann ein einziger Kühlmittelkreislauf, beispielsweise ein Wasserkühlungskreislauf, vorgesehen sein, der thermisch mit dem Inverter 17 und dem Motorgehäuse 15 gekoppelt ist. Der Kühlmittelkreislauf führt Wärme vom Inverter 17 und/oder vom Motorgehäuse 15 und damit auch vom Elektromotor 11 ab. Konkret kann außen am Motorgehäuse 15 und/oder außen am Inverter 17 jeweils ein Kühlelement 18c angeordnet sein, wobei jedem Kühlelement 18c ein Kühlmitteleintritt 18a und ein Kühlmittelaustritt 18b zugeordnet ist. Die Kühlelemente 18c können im Hinblick auf die Kühlmittelströmung in Reihe oder parallel geschaltet sein. Es ist auch möglich, dass jedes Kühlelement 18c einer separaten Kühleinrichtung zugeordnet ist.
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Wie in 2 erkennbar ist, erfolgt also die Kühlung des Motorabschnitts bzw. Elektromotors über das Kühlmittel 50, so dass das Arbeitsmittel 40, das durch den Elektromotor 11 strömt, zur Temperierung des Elektromotors 11 kaum beitragen muss. Im Ergebnis gelangt das Arbeitsmittel 40 mit einer niedrigeren Temperatur als im Stand der Technik in den Verdichterabschnitt 20. Das Arbeitsmittel 40 hat folglich beim Eintritt in den Kammerzulauf 26 eine niedrigere Dichte und kann damit eine höhere Kompressionsenergie aufnehmen. Insgesamt steigert sich damit die Kälteleistung der gesamten Verdrängermaschine.
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Das Ausführungsbeispiel gemäß 3 bietet eine noch weiter gesteigerte Effizienz des Gesamtsystems. Dies wird dadurch erreicht, dass das Arbeitsmittel 40 im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 nicht mehr durch den Motorabschnitt 10 geleitet wird. Vielmehr weist der Verdichterabschnitt 20 einen separaten Verdichterzulauf 27 auf, durch welchen das Arbeitsmittel 40 direkt in den Kammerzulauf 26 gelangt. Das Arbeitsmittel 40 zirkuliert in dieser Konfiguration in einem Arbeitsmittelkreislauf, der vom Motorabschnitt 10 vollständig unabhängig ist. Damit trägt das Arbeitsmittel 40 zur Wärmeabfuhr aus dem Motorabschnitt 10 nicht mehr bei, gelangt also mit unveränderter Temperatur und Dichte in den Verdichterabschnitt 20.
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Die Kühlung des Motorabschnitts 10 bzw. des Elektromotors 11 erfolgt bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 analog zu dem Ausführungsbeispiel gemäß 2. Im Wesentlichen ist ein vorzugsweise das Motorgehäuse 15 vollständig umgreifendes Kühlelement 18c vorgesehen, das einen Kühlmitteleintritt 18a und eine Kühlmittelaustritt 18b aufweist. Ein weiteres Kühlelement 18c kann am Inverter 17 vorgesehen sein und ebenfalls einen Kühlmitteleintritt 18a und einen Kühlmittelaustritt 18b umfassen. Die beiden Kühlelemente 18c können in Reihe oder parallel geschaltet sein. Vorgesehen ist jedenfalls, dass das Kühlmittel 50 durch die Kühlelemente 18 strömt und Wärmeenergie, die beim Betrieb des Elektromotors 11 und/oder des Inverters 17 entsteht, abführt.
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In 3 ist auch erkennbar, dass der Motorabschnitt 10 und der Verdichterabschnitt 20 hermetisch getrennt ist. Dazu ist insbesondere eine Motortrennwand 19 vorgesehen, die den Elektromotor 11 vollständig vom Verdichterabschnitt 20 abkapselt. Es ist auch möglich, dass der Elektromotor 11 mit einem Spalttopf ausgestattet ist, der eine weitere Trennung zwischen Elektromotor und fluidführenden Abschnitten der Verdrängermaschine 20 bildet.
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Es ist über die hier dargestellten Ausführungsbeispiele hinaus auch denkbar, dass eine Verdrängermaschine 100 einen Motorabschnitt 10 aufweist, der mit einem Teil des Arbeitsmittels 40 durchströmt wird, wobei ein weiterer Teil des Arbeitsmittels 40 über den Verdichterzulauf 27 direkt in den Kammerzulauf 26 strömt. In jedem Fall ist vorgesehen, dass eine vom Arbeitsmittelkreislauf unabhängige Kühleinrichtung 18 vorgesehen ist, die den Motorabschnitt 10 und/oder den Inverter 17 kühlt.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Verdrängermaschine
- 10
- Motorabschnitt
- 11
- Elektromotor
- 11a
- Stator
- 11b
- Rotor
- 12
- Antriebswelle
- 13
- motorseitiges Lager
- 14
- Motorzulauf
- 15
- Motorgehäuse
- 16
- Gehäuseboden
- 17
- Inverter
- 18
- Kühleinrichtung
- 18a
- Kühlmitteleintritt
- 18b
- Kühlmittelaustritt
- 18c
- Kühlelement
- 19
- Motortrennwand
- 20
- Verdichterabschnitt
- 21
- Verdrängerspirale
- 22
- Gegenspirale
- 23
- Verdichtungskammer
- 24
- verdichterseitiges Lager
- 25
- Exzenterlager
- 26
- Kammerzulauf
- 27
- Verdichterzulauf
- 28
- Verdichtergehäuse
- 30
- Hochdruckabschnitt
- 31
- Hochdruckkammer
- 32
- Arbeitsmittelaustritt
- 33
- Hochdruckgehäuse
- 40
- Arbeitsmittel
- 50
- Kühlmittel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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