EP4453429A1 - Kältemittelverdichter - Google Patents

Kältemittelverdichter

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Publication number
EP4453429A1
EP4453429A1 EP22817639.2A EP22817639A EP4453429A1 EP 4453429 A1 EP4453429 A1 EP 4453429A1 EP 22817639 A EP22817639 A EP 22817639A EP 4453429 A1 EP4453429 A1 EP 4453429A1
Authority
EP
European Patent Office
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compressor
section
refrigerant
refrigerant compressor
stator
Prior art date
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Pending
Application number
EP22817639.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christian Busch
Christian SCHMÄLZLE
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
OET GmbH
Original Assignee
OET GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by OET GmbH filed Critical OET GmbH
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Pending legal-status Critical Current

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    • F04C29/0042—Driving elements, brakes, couplings, transmissions specially adapted for pumps
    • F04C29/0085—Prime movers
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    • F05C2251/12—Magnetic properties
    • F05C2251/125—Magnetic properties non-magnetic

Definitions

  • the invention relates to a refrigerant compressor for mobile applications according to the preamble of patent claim 1.
  • the invention also relates to a vehicle, in particular a battery electric vehicle or fuel cell vehicle with such a refrigerant compressor.
  • a refrigerant compressor of the type mentioned at the outset is known, for example, from WO 2017/108572 A1.
  • the known refrigerant compressor is intended for use in a motor vehicle and has a housing with a compressor section and a motor section. Variable compression chambers are formed in the compressor section, with which a refrigerant flowing through a working medium circuit can be compressed.
  • the known refrigerant compressor is driven by a brushless electric motor which is arranged in the motor section.
  • the electric motor includes a stator and a rotor, with the rotor being connected to the compressor section.
  • refrigerant compressors of the generic type it is customary to dissipate the waste heat of the electric motor that is produced during operation by conducting the refrigerant through the motor section before it is fed into the compressor section.
  • the refrigerant flows through a gap between the stator and the rotor and absorbs the heat generated in the electric motor.
  • the electric motor is cooled in this way.
  • refrigerants used in refrigerant compressors usually contain oils or other combustible components. With previous refrigerant compressors, this is largely unproblematic because such refrigerant compressors are operated with low voltages of usually 24 volts or 48 volts. However, high-voltage systems that are designed for voltages of 400 volts or 800 volts are used in the context of new vehicle generations, in particular in battery-electric vehicles or fuel cell vehicles. At such high voltages, the insulation of electrical components correspondingly higher requirements. Otherwise, there is a risk, especially with refrigerant compressors, that the refrigerant will be ignited by sparks. In this respect, there is an effort to isolate live parts from the refrigerant flow as effectively as possible.
  • the object of the invention is therefore to specify a refrigerant compressor for mobile applications that has improved electrical insulation, in particular such that the refrigerant compressor can be operated safely in the vicinity of high-voltage systems with at least 400 volts.
  • this object is achieved with regard to the refrigerant compressor by the subject matter of patent claim 1 and with regard to the vehicle by the subject matter of patent claim 13 .
  • the invention is based on the idea of specifying a refrigerant compressor for mobile applications with a compressor section and a motor section, with variable compression chambers being formed in the compressor section in order to receive and compress a refrigerant flowing through a working fluid circuit.
  • a brushless electric motor is arranged in the motor section and comprises a stator and a rotor drivingly connected to the compressor section. According to the invention, the stator and the rotor are separated from one another in a fluid-tight and/or gas-tight manner by a containment shell.
  • the stator In a brushless electric motor, the stator includes windings through which current flows.
  • the containment shell is provided in order to electrically separate these current-carrying elements from the compressor section. This separates the stator from the rotor in a fluid-tight manner and thus forms an additional barrier between electrically live components and the refrigerant, which flows at least through the compressor section.
  • the refrigerant compressor is a reciprocating compressor or a rotary compressor.
  • the refrigerant compressor is a scroll compressor, with the scroll compressor having an orbiting displacement scroll and a counter-scroll in the compressor section, which are so intertwined grasp that the variable compression chambers are formed between the displacer scroll and the counter scroll.
  • Scroll compressors have particular advantages for mobile applications and are therefore the preferred choice for air conditioning systems in passenger vehicles.
  • the containment shell can preferably separate a suction chamber, in which the stator is arranged, in a fluid-tight and/or gas-tight manner from a counter-pressure chamber.
  • refrigerant preferably does not flow through the suction chamber, as is provided for cooling the electric motor in the prior art.
  • a counter-pressure chamber is arranged on a side of the displacer scroll opposite the counter-volute. Pre-compressed refrigerant can be directed into the back-pressure chamber via a corresponding channel in order to bring about that the compressor scroll is pressed against the back-scroll.
  • the pressure in the counter-pressure chamber thus ensures improved sealing between the compressor volute and the counter-volute.
  • the counter-pressure chamber is usually formed in the motor section, with the containment shell in the refrigerant compressor according to the invention advantageously ensuring that there is no fluid exchange between the counter-pressure chamber and the suction chamber.
  • the suction chamber is hermetically separated from the counter-pressure chamber.
  • the can can extend through an air gap between the stator and the rotor.
  • the containment shell encapsulates the rotor and thus separates it from the stator, which has the current-carrying coils, in a fluid-tight and gas-tight manner.
  • the containment shell comprises or consists of a non-magnetic material.
  • the non-magnetic material can in particular include or be plastic, stainless steel, aluminum or carbon fiber.
  • the use of plastic or carbon fiber or carbon fiber composite material is preferred for applications in which the weight of the refrigerant compressor should be low.
  • the Working medium circuit includes a compressor inlet, which directly, in particular directly from outside the refrigerant compressor, opens into the compressor section.
  • the refrigerant is not routed into the compressor section via the motor section, but is introduced directly into the compressor section. This increases the distance between the channels carrying the coolant and the stator, and thus further reduces the risk of an interaction between the working medium circuit and the stator.
  • the electric motor of the refrigerant compressor according to the invention can be cooled by a cooling device which is connected externally to the motor section.
  • the motor section may include a motor housing connected or equipped with a cooling device.
  • the cooling device can be, for example, a coolant circuit which is in contact with the motor housing or comprises cooling channels formed in the motor housing.
  • the coolant circuit is preferably separate from the working medium circuit.
  • the coolant circuit and the working medium circuit are preferably separated from one another in terms of fluid technology.
  • a thermal coupling can be provided, for example in order to transfer thermal energy from the coolant to the refrigerant.
  • heat exchangers can be used.
  • a suitable separation between a coolant circuit and the working medium circuit is described in the applicant's German patent application entitled "Displacement machine according to the spiral principle", which was filed on the same day.
  • a preferred variant of the invention provides for the stator to have windings on the winding heads of which stator heads connected to a motor housing are cast.
  • the stator heads form a heat-conducting element which transfers the heat generated in the windings well to the motor housing via the winding heads.
  • the motor housing can then emit this heat passively via the ambient air or preferably via an active cooling device.
  • the can has a bearing mount has, in which a bearing of a drive shaft is fitted.
  • the drive shaft is preferably non-rotatably connected to the rotor.
  • the containment shell also surrounds the drive shaft at its axial end. This is achieved in a particularly advantageous manner if a bearing for the drive shaft is fitted in the containment shell, ie the containment shell also includes the axial bearing of the drive shaft.
  • the containment can may also be sealed to a center plate separating the motor section from the compressor section.
  • the middle plate can be part of the entire housing of the refrigerant compressor.
  • the center plate is preferably sealed by a respective seal relative to the motor section, in particular a motor housing, and the compressor section, in particular a compressor housing. In this way, a good and complete sealing of a space that includes the rotor is achieved.
  • the rotor is thus hermetically separated from its surroundings, in particular the stator.
  • the middle plate can be arranged between the motor housing and the compressor housing.
  • the motor section has a motor housing and the compressor section has a compressor housing.
  • the middle plate is preferably arranged between the motor housing and the compressor housing, in particular fixed in a clamping manner between them. This creates a good seal and at the same time a high level of maintenance friendliness. Because the middle plate extends between the motor housing and the compressor housing, the compressor housing can be removed for maintenance purposes without the hermetic separation between the rotor and stator being impaired by the containment shell.
  • a secondary aspect of the invention relates to a vehicle, in particular a battery electric vehicle or fuel cell vehicle, with a refrigerant compressor as described above.
  • the vehicles described here are preferably multi-track passenger vehicles.
  • FIG. 2 shows a sectional view through the refrigerant compressor according to FIG. 1;
  • Figure 3 shows a detail from Figure 2
  • FIG. 4 shows a partial sectional view of the refrigerant compressor according to FIG. 1.
  • FIG. 1 shows a section of a refrigerant compressor 100 which has a motor section 10 and a compressor section 30 .
  • the motor section 10 is shown open, in which case a rotor 12 of an electric motor can be seen in particular.
  • the rotor 12 is connected in a torque-proof manner to a drive shaft 15 which is mounted on a bearing 16 on the pot side.
  • a containment shell 13 can also be seen, which includes a bearing mount 25 .
  • the bearing seat 25 is formed so that the pot-side bearing 16 can be fitted therein.
  • the bearing mount 25 is formed in one piece with a rotor mount 26 .
  • the rotor mount 26 and the bearing mount 25 each have a cylindrical contour, the cross-sectional diameter of the rotor mount 26 being larger than the cross-sectional diameter of the bearing mount 25 .
  • the rotor receptacle 26 completely accommodates the rotor 12 .
  • a bearing 17 on the compressor side which is fixed in a center plate 40 , can be seen at an axial end of the drive shaft 15 opposite the bearing 16 on the pot side.
  • the center plate 40 separates the motor section 10 from the compressor section 30.
  • the center plate 40 is fixedly connected to a compressor housing 34 of the compressor section 30.
  • the refrigerant compressor has a motor section 10 which includes a motor housing 20.
  • An inverter space 21 is arranged on the motor housing 20 and accommodates the electronic components of an inverter which is used to control the stator.
  • the inverter room 21 is separated from an engine room 28 .
  • An electric motor which includes a stator 11 with windings 22 , is arranged in the engine compartment 28 .
  • the windings 22 include end turns 23 on which preferably stator heads are cast, which are connected to the motor housing.
  • the electric motor also includes the rotor 12 which is arranged coaxially with the stator 11 .
  • An air gap 14 is formed between the rotor 12 and the stator 11, through which the containment shell 13, in particular its rotor mount 26, extends.
  • the can 13 divides the engine compartment 28 into a suction compartment 28a, which contains the stator 11, and a drive compartment 28b, in which the rotor 12 and the drive shaft 15 are arranged.
  • the bearing seat 25 of the containment shell 13 which accommodates the bearing 16 of the drive shaft 15 on the shell side, is fixed in an axial mount 29 of the motor housing 20 .
  • the containment shell 13 extends beyond the rotor 12 and reaches up to the center plate 40.
  • the center plate 40 has an annular shoulder 41 which protrudes into the containment shell 13, in particular the rotor mount 26, and a sealing connection between the containment shell 13 and the center plate 40 effected.
  • the center plate 40 also accommodates the compressor-side bearing 17 that supports the drive shaft 15 .
  • the drive shaft 15 extends through the bearing 17 on the compressor side and ends in an eccentric guide 18 which engages in the displacement spiral 31 of the compressor section 30 .
  • Compressor section 30 also includes a compressor housing 34 connected to center plate 40 .
  • the center plate 40 is positioned between the compressor housing 34 and the motor housing 20 .
  • the displacement scroll 31 and a counter scroll 32 are arranged in the compressor section 30 .
  • At least one variable compression chamber 39 is formed as a result of the displacement scroll 31 engaging in the counter scroll 32 , the volume of which changes with the orbiting movement of the displacement scroll 31 .
  • a refrigerant flows through the compression chamber 39 , which is compressed by the change in volume of the compression chamber 39 and conducted at increased pressure via the central outlet opening 35 into a high-pressure chamber 33 . From the high-pressure chamber 33, the refrigerant enters the working fluid circuit via a corresponding outlet.
  • 3 shows in detail the connection of the compressor housing 30 to the motor section 10.
  • the middle plate 40 is arranged between the motor housing 20 and the compressor housing 34.
  • FIG. A seal 24 is arranged between the middle plate 40 and the motor housing 20 and between the middle plate 40 and the compressor housing 34 and ensures that the entire refrigerant compressor 100 is hermetically sealed to the outside.
  • the seal 24 is preferably fluid-tight and/or gas-tight.
  • the displacement spiral 31 includes a sealing groove 36 in which a sliding seal 37 is arranged.
  • the sliding seal 37 comprises a sliding element 37a and a pressing element 37b.
  • the sliding element 37a slides over the sliding plate 38 and is pressed against the sliding plate 38 by the pressing element 37 .
  • the pressing element 37b can have an elastic material, for example.
  • the pressing element 37 can be designed as an O-ring.
  • FIG. 4 the hermetic isolation or sealing of the rotor by the containment shell 13 is illustrated again, with components of the refrigerant compressor 100 on the stator side being dispensed with for reasons of clarity.
  • the containment shell 13 is fluid-tightly and firmly connected to the center plate 40, in particular to its annular shoulder 41.
  • the containment shell 13, in particular the rotor mount 26, extends beyond the rotor 12 and also includes the counterweight 27.
  • the rotor mount 26 transitions into the bearing mount 25 which completely encloses the pot-side bearing 16 and also extends over the axial end face of the drive shaft 15 . In this way, the entire rotor assembly is hermetically sealed from the stator assembly.
  • the counter-pressure chamber 19 which is arranged between the bearing 17 on the compressor side and the displacement spiral 31 , can also be clearly seen again in FIG. 4 .
  • the counter-pressure chamber 19 is arranged within the drive space 28b, which is hermetically separated via the containment shell 13 from stator-side components of the refrigerant compressor 100, specifically from the suction space 28a.

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Abstract

Die Anmeldung betrifft einen Kältemittelverdichter (100) für mobile Anwendungen mit einem Verdichterabschnitt (30) und einem Motorabschnitt (10), wobei im Verdichterabschnitt (30) variable Verdichtungskammern (39) gebildet sind, um ein durch einen Arbeitsmittelkreislauf strömendes Kältemittel aufzunehmen und zu verdichten, und wobei im Motorabschnitt (10) ein bürstenloser Elektromotor angeordnet ist, der einen Stator (11) und einen mit dem Verdichterabschnitt (30) antriebsverbundenen Rotor (12) umfasst. Die Anmeldung zeichnet sich <b>dadurch</b> aus, dass der Stator (11) und der Rotor (12) durch einen Spalttopf (13) fluiddicht und/oder gasdicht voneinander getrennt sind.

Description

Kältemittelverdichter
Beschreibung
Die Erfindung betrifft einen Kältemittelverdichter für mobile Anwendungen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Fahrzeug, insbesondere ein batterieelektrisches Fahrzeug oder Brennstoffzellenfahrzeug mit einem solchen Kältemittelverdichter.
Ein Kältemittelverdichter der eingangs genannten Art ist beispielsweise aus WO 2017/108572 Al bekannt. Der bekannte Kältemittelverdichter ist für den Einsatz in einem Kraftfahrzeug vorgesehen und weist ein Gehäuse mit einem Verdichterabschnitt und einem Motorabschnitt auf. Im Verdichterabschnitt sind variable Verdichtungskammern gebildet, mit welchen ein durch einen Arbeitsmittelkreislauf strömendes Kältemittel verdichtet werden kann. Der Antrieb des bekannten Kältemittelverdichters erfolgt über einen bürstenlosen Elektromotor, der im Motorabschnitt angeordnet ist. Der Elektromotor umfasst einen Stator und einen Rotor, wobei der Rotor mit dem Verdichterabschnitt verbunden ist. Bei gattungsgemäßen Kältemittelverdichtern ist es üblich, die beim Betrieb entstehende Abwärme des Elektromotors dadurch abzuführen, dass das Kältemittel vor der Zuführung in den Verdichterabschnitt durch den Motorabschnitt geleitet wird. Das Kältemittel strömt dabei durch einen Spalt zwischen dem Stator und dem Rotor und nimmt die im Elektromotor erzeugte Wärme auf. Der Elektromotor wird auf diese Weise gekühlt.
Die in Kältemittelverdichtern eingesetzten Kältemittel enthalten üblicherweise Öle oder sonstige brennbare Bestandteile. Bei bisherigen Kältemittelverdichtern ist dies weitgehend unproblematisch, weil solche Kältemittelverdichter mit geringen Spannungen von üblicherweise 24 Volt oder 48 Volt betrieben werden. Im Rahmen neuer Fahrzeuggenerationen, insbesondere bei batterieelektrischen Fahrzeugen oder Brennstoffzellenfahrzeugen, werden jedoch Hochvoltsysteme eingesetzt, die für Spannungen von 400 Volt oder 800 Volt ausgelegt sind. Bei derart hohen Spannungen werden an die Isolierung von elektrischen Bauteilen entsprechend höhere Anforderungen gestellt. Insbesondere bei Kältemittelverdichtern besteht andernfalls das Risiko, dass das Kältemittel durch Funkenschlag entzündet wird. Insofern besteht ein Bestreben danach, stromführende Teile möglichst effektiv vom Kältemittelstrom zu isolieren.
Die Aufgabe der Erfindung besteht folglich darin, einen Kältemittelverdichter für mobile Anwendungen anzugeben, der eine verbesserte elektrische Isolierung aufweist, insbesondere so, dass der Kältemittelverdichter in der Umgebung von Hochvoltsystemen mit mindestens 400 Volt sicher betrieben werden kann.
Darüber hinaus ist es Aufgabe der Erfindung, ein Fahrzeug mit einem solchen Kältemittelverdichter anzugeben.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe im Hinblick auf den Kältemittelverdichter durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 und im Hinblick auf das Fahrzeug durch den Gegenstand des Patentanspruchs 13 gelöst.
So beruht die Erfindung auf dem Gedanken, einen Kältemittelverdichter für mobile Anwendungen mit einem Verdichterabschnitt und Motorabschnitt anzugeben, wobei im Verdichterabschnitt variable Verdichtungskammern gebildet sind, um ein durch einen Arbeitsmittelkreislauf strömendes Kältemittel aufzunehmen und zu verdichten. Im Motorabschnitt ist ein bürstenloser Elektromotor angeordnet, der einen Stator und einen mit dem Verdichterabschnitt antriebsverbundenen Rotor umfasst. Erfindungsgemäß sind der Stator und der Rotor durch einen Spalttopf fluiddicht und/oder gasdicht voneinander getrennt.
Bei einem bürstenlosen Elektromotor umfasst der Stator Wicklungen, die stromdurchflossen sind. Um diese stromdurchflossenen Elemente elektrisch gut vom Verdichterabschnitt zu trennen, ist der Spalttopf vorgesehen. Dieser trennt den Stator fluiddicht vom Rotor und bildet so eine zusätzliche Barriere zwischen elektrisch stromführenden Bauteilen und dem Kältemittel, das zumindest durch den Verdichterabschnitt strömt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Kältemittelverdichter ein Hubkolbenverdichter oder ein Rollkolbenverdichter. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Kältemittelverdichter ein Scrollverdichter ist, wobei der Scrollverdichter im Verdichterabschnitt eine orbitierende Verdrängerspirale und eine Gegenspirale aufweist, die so ineinander greifen, dass die variablen Verdichtungskammern zwischen der Verdrängerspirale und der Gegenspirale gebildet sind. Scrollverdichter haben besondere Vorteile für mobile Anwendungen und werden daher bevorzugt für Klimaanlagen in Personenkraftfahrzeugen eingesetzt.
Der Spalttopf kann vorzugsweise einen Saugraum, in dem der Stator angeordnet ist, fluiddicht und/oder gasdicht von einer Gegendruckkammer trennen. Der Saugraum wird bei dem erfindungsgemäßen Kältemittelverdichter vorzugsweise nicht mit Kältemittel durchströmt, wie dies zur Kühlung des Elektromotors im Stand der Technik vorgesehen ist. Bei Scrollverdichtern ist es zweckmäßig, wenn auf einer der Gegenspirale gegenüberliegenden Seite der Verdrängerspirale eine Gegendruckkammer angeordnet ist. Vorverdichtetes Kältemittel kann über einen entsprechenden Kanal in die Gegendruckkammer geleitet werden, um zu bewerkstelligen, dass die Verdichterspirale an die Gegenspirale gedrückt wird. Der Druck in der Gegendruckkammer sorgt also für eine verbesserte Abdichtung zwischen Verdichterspirale und Gegenspirale. Die Gegendruckkammer ist meist im Motorabschnitt ausgebildet, wobei der Spalttopf bei dem erfindungsgemäßen Kältemittelverdichter vorteilhaft dafür sorgt, dass zwischen der Gegendruckkammer und dem Saugraum kein Fluidaustausch erfolgt. Insofern ist der Saugraum hermetisch von der Gegendruckkammer getrennt.
Der Spalttopf kann sich konkret durch einen Luftspalt zwischen dem Stator und dem Rotor erstrecken. Insbesondere ist vorgesehen, dass der Spalttopf den Rotor einkapselt und so fluiddicht und gasdicht vom Stator, der die stromdurchflossenen Spulen aufweist, trennt.
Um eine gute Isolierung zu erreichen und den Elektromotor nicht zu beeinflussen, ist bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass der Spalttopf ein nichtmagnetisches Material umfasst oder daraus besteht. Das nichtmagnetische Material kann insbesondere Kunststoff, Edelstahl, Aluminium oder Kohlefaser aufweisen oder sein. Die Verwendung von Kunststoff oder Kohlefaser bzw. Kohlefaserverbundwerkstoff ist für Anwendungsfälle bevorzugt, bei welchen das Gewicht des Kältemittelverdichters gering sein soll.
Um zu vermeiden, dass zwischen den elektrisch stromführenden Bauteilen des Kältemittelverdichters, insbesondere dem Stator, und dem Kältemittel eine Wechselwirkung entsteht, ist bevorzugt vorgesehen, dass der Arbeitsmittelkreislauf einen Verdichterzulauf umfasst, der direkt, insbesondere von außerhalb des Kältemittelverdichters direkt, in den Verdichterabschnitt mündet. Im Unterschied zum Stand der Technik wird also das Kältemittel nicht über den Motorabschnitt in den Verdichterabschnitt geleitet, sondern wird direkt in den Verdichterabschnitt eingeführt. Damit wird der Abstand zwischen das Kältemittel führenden Kanälen und dem Stator erhöht und so das Risiko einer Wechselwirkung zwischen dem Arbeitsmittelkreislauf und dem Stator weiter reduziert.
Generell kann außerdem vorgesehen sein, dass der Elektromotor des erfindungsgemäßen Kältemittelverdichters durch eine Kühleinrichtung kühlbar ist, die extern mit dem Motorabschnitt verbunden ist. Konkret kann der Motorabschnitt ein Motorgehäuse aufweisen, das mit einer Kühleinrichtung verbunden oder ausgestattet ist. Die Kühleinrichtung kann beispielsweise ein Kühlflüssigkeitskreislauf sein, der mit dem Motorgehäuse in Kontakt steht oder im Motorgehäuse ausgebildete Kühlkanäle umfasst. Der Kühlflüssigkeitskreislauf ist vorzugsweise vom Arbeitsmittelkreislauf getrennt. Insbesondere sind der Kühlflüssigkeitskreislauf und der Arbeitsmittelkreislauf vorzugsweise fluidtechnisch voneinander separiert. Eine thermische Kopplung kann vorgesehen sein, beispielsweise um Wärmeenergie aus dem Kühlmittel in das Kältemittel zu übertragen. Dazu können beispielsweise Wärmetauscher eingesetzt werden. Eine geeignete Trennung zwischen einem Kühlmittelkreislauf und dem Arbeitsmittelkreislauf ist in der auf die Anmelderin zurückgehenden deutschen Patentanmeldung mit dem Titel „Verdrängermaschine nach dem Spiralprinzip" beschrieben, die am selben Tag eingereicht wurde.
Um eine gute Wärmeabfuhr von den Wicklungen des Stators an das Motorgehäuse zu erreichen, ist bei einer bevorzugten Variante der Erfindung vorgesehen, dass der Stator Wicklungen aufweist, auf deren Wicklungsköpfen mit einem Motorgehäuse verbundene Statorköpfe aufgegossen sind. Die Statorköpfe bilden insoweit ein Wärmeleitelement, das in den Wicklungen entstehende Wärme über die Wicklungsköpfe gut auf das Motorgehäuse überträgt. Das Motorgehäuse kann dann diese Wärme passiv über die Umgebungsluft oder bevorzugt über eine aktive Kühleinrichtung abgeben.
Um eine gute hermetische Abdichtung zwischen dem Stator und dem Rotor zu schaffen, ist es besonders bevorzugt, wenn der Spalttopf eine Lageraufnahme aufweist, in welcher ein Lager einer Antriebswelle eingepasst ist. Die Antriebswelle ist vorzugsweise mit dem Rotor drehfest verbunden. Um den Rotor vollständig vom Stator zu kapseln, ist es vorteilhaft, wenn der Spalttopf auch die Antriebswelle an ihrem axialen Ende umgibt. Dies wird besonders vorteilhaft erreicht, wenn im Spalttopf ein Lager für die Antriebswelle eingepasst ist, der Spalttopf also auch das Axiallager der Antriebswelle einschließt.
Der Spalttopf kann außerdem dichtend mit einer Mittelplatte verbunden sein, die den Motorabschnitt vom Verdichterabschnitt trennt. Die Mittelplatte kann insbesondere Teil des gesamten Gehäuses des Kältemittelverdichters sein. Vorzugsweise ist die Mittelplatte durch jeweils eine Dichtung gegenüber dem Motorabschnitt, insbesondere einem Motorgehäuse, und dem Verdichterabschnitt, insbesondere einem Verdichtergehäuse, abgedichtet. Auf diese Weise ist eine gute und vollumfängliche Abdichtung eines Raums erreicht, der den Rotor umfasst. Der Rotor ist damit hermetisch von seiner Umgebung, insbesondere dem Stator, separiert.
Die Mittelplatte kann insoweit zwischen dem Motorgehäuse und dem Verdichtergehäuse angeordnet sein. Generell kann vorgesehen sein, dass der Motorabschnitt ein Motorgehäuse und der Verdichterabschnitt ein Verdichtergehäuse aufweisen. Die Mittelplatte ist vorzugsweise zwischen dem Motorgehäuse und dem Verdichtergehäuse angeordnet, insbesondere dazwischen klemmend fixiert. Damit ist eine gute Abdichtung und gleichzeitig eine hohe Wartungsfreundlichkeit geschaffen. Indem sich die Mittelplatte nämlich zwischen dem Motorgehäuse und dem Verdichtergehäuse erstreckt, kann das Verdichtergehäuse zu Wartungszwecken abgenommen werden, ohne dass die hermetische Trennung zwischen Rotor und Stator durch den Spalttopf beeinträchtigt wird.
Ein nebengeordneter Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug, insbesondere ein batterieelektrisches Fahrzeug oder Brennstoffzellenfahrzeug, mit einem zuvor beschriebenen Kältemittelverdichter. Die hier beschriebenen Fahrzeuge sind vorzugsweise mehrspurige Personenkraftfahrzeuge.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen Fig. 1 eine Explosionsansicht eines Teils eines erfindungsgemäßen Kältemittelverdichters nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel;
Fig. 2 eine Schnittansicht durch den Kältemittelverdichter gemäß Fig. 1;
Fig. 3 ein Detail aus Fig. 2; und
Fig. 4 eine Teilschnittansicht des Kältemittelverdichters gemäß Fig. 1.
Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt eines Kältemittelverdichters 100, der einen Motorabschnitt 10 und einen Verdichterabschnitt 30 aufweist. Der Motorabschnitt 10 ist geöffnet dargestellt, wobei insbesondere ein Rotor 12 eines Elektromotors erkennbar ist. Der Rotor 12 ist drehfest mit einer Antriebswelle 15 verbunden, die einem topfseitigen Lager 16 gelagert ist. In der Explosionsansicht gemäß Fig. 1 ist ferner ein Spalttopf 13 erkennbar, der eine Lageraufnahme 25 umfasst. Die Lageraufnahme 25 ist so ausgebildet, dass das topfseitige Lager 16 darin eingepasst werden kann. Die Lageraufnahme 25 ist einstückig mit einer Rotoraufnahme 26 ausgebildet. Die Rotoraufnahme 26 und die Lageraufnahme 25 weisen jeweils eine zylinderförmige Kontur auf, wobei der Querschnittsdurchmesser der Rotoraufnahme 26 größer als der Querschnittsdurchmesser der Lageraufnahme 25 ist. Die Rotoraufnahme 26 nimmt im montierten Zustand den Rotor 12 vollständig in sich auf.
An einem dem topfseitigen Lager 16 gegenüberliegenden Axialende der Antriebswelle 15 ist ein verdichterseitiges Lager 17 erkennbar, das in einer Mittelplatte 40 fixiert ist. Die Mittelplatte 40 trennt den Motorabschnitt 10 vom Verdichterabschnitt 30. Vorzugsweise ist die Mittelplatte 40 fest mit einem Verdichtergehäuse 34 des Verdichterabschnitts 30 verbunden.
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch den Kältemittelverdichter 100. Der Kältemittelverdichter weist einen Motorabschnitt 10 auf, der ein Motorgehäuse 20 umfasst. An dem Motorgehäuse 20 ist ein Inverterraum 21 angeordnet, der elektronische Bauteile eines Inverters aufnimmt, welcher zur Ansteuerung des Stators dient. Der Inverterraum 21 ist von einem Motorraum 28 getrennt. Im Motorraum 28 ist ein Elektromotor angeordnet, der einen Stator 11 mit Wicklungen 22 umfasst. Die Wicklungen 22 umfassen Wicklungsköpfe 23, auf die vorzugsweise Statorköpfe aufgegossen sind, die mit dem Motorgehäuse verbunden sind.
Der Elektromotor umfasst ferner den Rotor 12, der koaxial zum Stator 11 angeordnet ist. Zwischen dem Rotor 12 und dem Stator 11 ist ein Luftspalt 14 gebildet, durch welchen sich der Spalttopf 13, insbesondere dessen Rotoraufnahme 26 erstreckt. Der Spalttopf 13 teilt den Motorraum 28 in einen Saugraum 28a, der den Stator 11 beinhaltet, und einen Antriebsraum 28b, in welchem der Rotor 12 und die Antriebswelle 15 angeordnet sind. Die Lageraufnahme 25 des Spalttopfs 13, welche das topfseitige Lager 16 der Antriebswelle 15 aufnimmt, ist in einer Axialhalterung 29 des Motorgehäuses 20 fixiert.
Der Spalttopf 13 erstreckt sich über den Rotor 12 hinaus und reicht bis an die Mittelplatte 40. Die Mittelplatte 40 weist einen Ringabsatz 41 auf, der in den Spalttopf 13, insbesondere die Rotoraufnahme 26, hineinragt und eine dichtende Verbindung zwischen dem Spalttopf 13 und der Mittelplatte 40 bewirkt. Die Mittelplatte 40 nimmt ferner das verdichterseitige Lager 17 auf, das die Antriebswelle 15 trägt. Die Antriebswelle 15 erstreckt sich durch das verdichterseitige Lager 17 hindurch und endet in einer Exzenterführung 18, di e in die Verdrängerspirale 31 des Verdichterabschnitts 30 eingreift.
Der Verdichterabschnitt 30 umfasst außerdem ein Verdichtergehäuse 34, das mit der Mittelplatte 40 verbunden ist. Konkret ist die Mittelplatte 40 zwischen dem Verdichtergehäuse 34 und dem Motorgehäuse 20 angeordnet.
Im Verdichterabschnitt 30 sind die Verdrängerspirale 31 und eine Gegenspirale 32 angeordnet. Die Verdrängerspirale 31, die von der Antriebswelle 15 über die Exzenterführung 18 orbitierend bewegbar ist, greift in die Gegenspira le 32 ein. Durch den Eingriff der Verdrängerspirale 31 in die Gegenspirale 32 ist wenigstens eine variable Verdichtungskammer 39 gebildet, deren Volumen sich mit der orbitierenden Bewegung der Verdrängerspirale 31 ändert. Durch die Verdichtungskammer 39 strömt ein Kältemittel, das durch die Volumenänderung der Verdichtungskammer 39 komprimiert und mit erhöhtem Druck über die zentrale Auslassöffnung 35 in eine Hochdruckkammer 33 geleitet wird. Von der Hochdruckkammer 33 gelangt das Kältemittel über einen entsprechenden Auslass in den Arbeitsmittelkreislauf. Fig. 3 zeigt im Detail die Anbindung des Verdichtergehäuses 30 an den Motorabschnitt 10. Insbesondere ist zwischen dem Motorgehäuse 20 und dem Verdichtergehäuse 34 die Mittelplatte 40 angeordnet. Zwischen der Mittelplatte 40 und dem Motorgehäuse 20 sowie zwischen der Mittelplatte 40 und dem Verdichtergehäuse 34 ist jeweils eine Dichtung 24 angeordnet, die für eine nach außen hermetische Abdichtung des gesamten Kältemittelverdichters 100 sorgt. Die Dichtung 24 ist vorzugsweise fluiddicht und/oder gasdicht.
Eine weitere Abdichtung zwischen der Mittelplatte 40 und dem Verdichterabschnitt 30 erfolgt konkret zwischen der Mittelplatte 40 und der Verdrängerspirale 31. Dazu weist die Mittelplatte 40 in einem Berei ch, der durch die orbitierende Bewegung der Verdrängerspirale 31 überstrichen wird, eine Gleitplatte 38 auf. Die Verdrängerspirale 31 umfasst eine Dichtnut 36, in welcher eine Gleitdichtung 37 angeordnet ist. Die Gleitdichtung 37 umfasst ein Gleitelement 37a und ein Anpresselement 37b. Das Gleitelement 37a gleitet über die Gleitplatte 38 und wird durch das Anpresselement 37 gegen die Gleitplatte 38 gepresst. Das Anpresselement 37b kann dazu beispielsweise ein elastisches Material aufweisen. Beispielsweise kann das Anpresselement 37 als O-Ring ausgebildet sein.
In Fig. 4 ist die hermetische Abschottung bzw. Abdichtung des Rotors durch den Spalttopf 13 nochmals verdeutlicht dargestellt, wobei auf statorseitige Bauteile des Kältemittelverdichters 100 aus Gründen der Übersichtlichkeit verzichtet wurde. Es ist gut erkennbar, dass der Spalttopf 13 mit der Mittelplatte 40, insbesondere deren Ringabsatz 41, fluiddicht und fest verbunden ist. Der Spalttopf 13, insbesondere die Rotoraufnahme 26, erstreckt sich über den Rotor 12 hinweg und schließt außerdem das Ausgleichsgewicht 27 ein. Die Rotoraufnahme 26 geht in die Lageraufnahme 25 über, die das topfseitige Lager 16 vollständig umschließt und sich auch über die axiale Endfläche der Antriebswelle 15 erstreckt. Auf diese Weise ist die gesamte Rotorbaugruppe gegenüber der Statorbaugruppe hermetisch abgetrennt.
In Fig. 4 ist auch nochmals deutlich die Gegendruckkammer 19 erkennbar, die zwischen dem verdichterseitigen Lager 17 und der Verdrängerspirale 31 angeordnet ist. Die Gegendruckkammer 19 ist innerhalb des Antriebsraums 28b angeordnet, der über den Spalttopf 13 von statorseitigen Bauteilen des Kältemittelverdichters 100, konkret vom Saugraum 28a, hermetisch separiert ist. Bezugszeichenliste
100 Kältemittelverdichter
10 Motorabschnitt
11 Stator
12 Rotor
13 Spalttopf
14 Luftspalt
15 Antriebswelle
16 topfseitiges Lager
17 verdichterseitiges Lager
18 Exzenterführung
19 Gegendruckkammer
20 Motorgehäuse
21 Inverterraum
22 Wicklung
23 Wicklungskopf
24 Dichtung
25 Lageraufnahme
26 Rotoraufnahme
27 Ausgleichsgewicht
28 Motorraum
28a Saugraum
28b Antriebsraum
29 Axialhalterung
30 Verdichterabschnitt
31 Verdrängerspirale
32 Gegenspirale
33 Hochdruckkammer
34 Verdichtergehäuse
35 zentrale Auslassöffnung
36 Dichtnut
37 Gleitdichtung
37a Gleitelement
37b Anpresselement
38 Gleitplatte
39 Verdichtungskammer
40 Mittel platte
41 Ringabsatz

Claims

Ansprüche Kältemittelverdichter (100) für mobile Anwendungen mit einem Verdichterabschnitt (30) und einem Motorabschnitt (10), wobei im Verdichterabschnitt (30) variable Verdichtungskammern (39) gebildet sind, um ein durch einen Arbeitsmittelkreislauf strömendes Kältemittel aufzunehmen und zu verdichten, und wobei im Motorabschnitt (10) ein bürstenloser Elektromotor angeordnet ist, der einen Stator (11) und einen mit dem Verdichterabschnitt (30) antriebsverbundenen Rotor (12) umfasst, dad u rch geken nzei ch net, dass der Stator (11) und der Rotor (12) durch einen Spalttopf (13) fluiddicht und/oder gasdicht voneinander getrennt sind. Kältemittelverdichter (100) nach Anspruch 1, dad u rch geken nzei ch net, dass der Kältemittelverdichter (100) ein Hubkolbenverdichter, ein Rollkolbenverdichter oder ein Scrollverdichter ist, wobei der Scrollverdichter im Verdichterabschnitt (30) eine orbitierende Verdrängerspirale (31) und eine Gegenspirale (32) aufweist, die so ineinander greifen, dass die variablen Verdichtungskammern (39) zwischen der Verdrängerspirale (31) und der Gegenspirale (32) gebildet sind. Kältemittelverdichter (100) nach Anspruch 1 oder 2, dad u rch geken nzei ch net, dass der Spalttopf (13) einen Saugraum (28a), in dem der Stator (11) angeordnet ist, fluiddicht und/oder gasdicht von einer Gegendruckkammer (19) trennt. Kältemittelverdichter (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dad u rch geken nzei ch net, dass sich der Spalttopf (13) durch einen Luftspalt (14) zwischen dem Stator (11) und dem Rotor (12) erstreckt. Kältemittelverdichter (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dad u rch geken nzei ch net, dass der Spalttopf (13) ein nichtmagnetisches Material umfasst oder daraus besteht. Kältemittelverdichter (100) nach Anspruch 5, dad u rch geken nzei ch net, dass das nicht-magnetische Material Kunststoff, Edelstahl, Aluminium oder Kohlefaser aufweist oder ist. Kältemittelverdichter (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dad u rch geken nzei ch net, dass der Arbeitsmittelkreislauf einen Verdichterzulauf umfasst, der direkt, insbesondere von außerhalb des Kältemittelverdichters direkt, in den Verdichterabschnitt (30) mündet. Kältemittelverdichter (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dad u rch geken nzei ch net, dass der Elektromotor durch eine Kühleinrichtung kühlbar ist, die extern mit dem Motorabschnitt (10) verbunden ist. Kältemittelverdichter (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dad u rch geken nzei ch net, dass der Stator (11) Wicklungen (22) aufweist, auf deren Wicklungsköpfen (23) mit einem Motorgehäuse (20) verbundene Statorköpfe aufgegossen sind. Kältemittelverdichter (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dad u rch geken nzei ch net, dass der Spalttopf (13) eine Lageraufnahme (25) aufweist, in welche ein topfseitiges Lager (16) einer Antriebswelle (15) eingepasst ist. Kältemittelverdichter (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dad u rch geken nzei ch net, dass der Spalttopf (13) dichtend mit einer Mittelplatte (40) verbunden ist, die den Motorabschnitt (10) vom Verdichterabschnitt (30) trennt und die durch jeweils eine Dichtung (24) gegenüber dem Motorabschnitt (10), insbesondere einem Motorgehäuse (20) und dem Verdichterabschnitt (30), insbesondere einem Verdichtergehäuse (34), abgedichtet ist. Kältemittelverdichter (100) nach Anspruch 11, dad u rch geken nzei ch net, dass die Mittelplatte (40) zwischen dem Motorgehäuse (20) und dem Verdichtergehäuse (34) angeordnet ist. Fahrzeug, insbesondere batterieelektrisches Fahrzeug oder Brennstoffzellenfahrzeug, mit einem Kältemittelverdichter (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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