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