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Die Erfindung betrifft ein Rotationsabscheider zum Abscheiden von flüssigen Partikeln, insbesondere Ölpartikeln, aus einem Heißgas, mit einem Abscheiderotor, welcher zum Abscheiden von Partikeln aus dem Heißgas von dem Heißgas durchströmbar ist, und einem elektrischen Antrieb zum rotatorischen Antreiben des Abscheiderotors.
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Rotationsabscheider werden beispielsweise bei der Kurbelgehäuseentlüftung zur Ölnebelabscheidung eingesetzt. Im Rahmen der Ölnebelabscheidung werden Ölpartikel und andere Substanzen aus einem Heißgas, dem sogenannten Blow-By-Gas, abgeschieden.
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Derartige Rotationsabscheider können mit einem elektrischen Antrieb ausgestattet sein. Der elektrische Antrieb und die Ansteuerungselektronik für den elektrischen Antrieb sind im Betrieb des Rotationsabscheiders vor Überhitzung zu schützen, sodass es nicht zu einem temperaturbedingten temporären Ausfall oder einer dauerhaften Beschädigung des elektrischen Antriebs und/oder der Ansteuerungselektronik kommt.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht also darin, den Schutz des elektrischen Antriebs und/oder der Ansteuerungselektronik eines Rotationsabscheiders vor Überhitzung zu verbessern.
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Die Aufgabe wird gelöst durch einen Rotationsabscheider der eingangs genannten Art, wobei der erfindungsgemäße Rotationsabscheider eine oder mehrere konvektive Kühleinrichtungen umfasst, welche dazu eingerichtet sind, das Heißgas und/oder die aus dem Heißgas abgeschiedenen flüssigen Partikel zum Kühlen eines oder mehrerer Teile des elektrischen Antriebs und/oder einer Ansteuerungselektronik des elektrischen Antriebs zu nutzen.
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Obwohl das Heißgas beispielsweise Temperaturen bis 135 °C erreichen kann, weist es meist eine geringere Temperatur als Teile des elektrischen Antriebs und/oder die Ansteuerungselektronik auf, welche beispielsweise Temperaturen von 150 °C und mehr erreichen können. Beispielsweise ab 150 °C, je nach Auslegung jedoch auch ab niedrigeren oder höheren Temperaturen, können Beschädigungen der Teile des elektrischen Antriebs und/oder der Ansteuerungselektronik nicht mehr ausgeschlossen werden. Da das Heißgas durch die Rotation des Abscheiderotors hohe Strömungsgeschwindigkeiten erreichen kann, kann eine effektive Konvektionskühlung umgesetzt werden. Ein temperaturbedingter Ausfall und eine dauerhafte Beschädigung des elektrischen Antriebs und der Ansteuerungselektronik aufgrund von Überhitzung können so effektiv vermieden werden.
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Das Heißgas kann ein Luft-Schadgas-Gemisch sein, welches flüssige Ölpartikel, Kraftstoffpartikel, Wasserpartikel und/oder Säurepartikel beinhaltet, welche durch den Rotationsabscheider abgeschieden werden sollen. Das Heißgas kann sogenanntes Blow-By-Gas sein.
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Der elektrische Antrieb ist in der für den Betrieb des Rotationsabscheiders vorgesehenen Ausrichtung des Rotationsabscheiders vorzugsweise unterhalb des Abscheiderotors und/oder unterhalb einer Abscheidekammer des Rotationsabscheiders, in welcher sich der Abscheiderotor befindet, angeordnet. Der elektrische Antrieb ist vorzugsweise ein Elektromotor, insbesondere ein BLDC-Motor. Der Rotationsabscheider kann ein Tellerseparator sein. Der Abscheiderotor kann ein Tellerpaket mit mehreren übereinander gestapelten Abscheidetellern umfassen.
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Der erfindungsgemäße Rotationsabscheider wird dadurch vorteilhaft weitergebildet, dass eine konvektive Kühleinrichtung ein oder mehrere Gasführungselemente umfasst, welche dazu eingerichtet sind, das Heißgas zum Kühlen des einen oder der mehreren Teile des elektrischen Antriebs und/oder der Ansteuerungselektronik des elektrischen Antriebs entlang eines oder mehrere Gaskühlungspfade zu führen. Zumindest ein Abschnitt des einen oder der mehreren Gaskühlungspfade verläuft im Nahbereich des einen oder der mehreren Teile des elektrischen Antriebs und/oder der Ansteuerungselektronik des elektrischen Antriebs, sodass ein Wärmeaustausch mit dem Heißgas erfolgt. Ein oder mehrere Gasführungselemente können dazu eingerichtet sein, das Heißgas zum Kühlen von Spulen eines feststehenden Stators des elektrischen Antriebs an den zu kühlenden Spulen entlangzuführen. Abschnitte des einen oder der mehreren Gaskühlungspfade verlaufen vorzugsweise im Nahbereich der Spulen des elektrischen Antriebs, sodass ein Wärmeaustausch mit dem Heißgas erfolgt. Eine oder mehrere Gasführungselemente können dazu eingerichtet sein, das Heißgas zum Kühlen eines Lagers für eine Antriebswelle des Abscheiderotors an dem Lager entlangzuführen. Zumindest ein Abschnitt des einen oder der mehreren Gaskühlungspfade verläuft vorzugsweise im Nahbereich des Lagers, sodass ein Wärmeaustausch mit dem Heißgas erfolgt. Das Lager kann beispielsweise ein Wälzlager, insbesondere ein Kugellager oder ein Rollenlager sein. Das Lager trägt über seine Verlustleistung einen erheblichen Wärmestrom in seine Umgebung ein. Insbesondere, wenn das Lager im elektrischen Antrieb aufgenommen ist, fließt die im Lager erzeugte Wärme über den Lageraußenring in den elektrischen Antrieb und führt zu einer zusätzlichen Aufheizung der sensiblen Elektronikkomponenten der Ansteuerungselektronik des elektrischen Antriebs. Ein oder mehrere Gasführungselemente können dazu eingerichtet sein, das Heißgas zum Kühlen einer Leiterplatte der Ansteuerungselektronik an der Leiterplatte insbesondere an Wärmequellen auf der Leiterplatte, entlangzuführen. Abschnitte des einen oder der mehreren Gaskühlungspfade verlaufen vorzugsweise im Nahbereich der Leiterplatte der Ansteuerungselektronik, insbesondere im Nahbereich von Wärmequellen auf der Leiterplatte, sodass ein Wärmeaustausch mit dem Heißgas erfolgt. Der eine oder die mehreren Gaskühlungspfade verlaufen vorzugsweise auf der Seite der Leiterplatte, auf welcher die elektrischen und/oder elektronischen Bauteile oberflächenmontiert sind.
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In einer anderen bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rotationsabscheiders ist das eine oder sind die mehreren Teile des elektrischen Antriebs innerhalb eines Antriebsbauraums des Rotationsabscheiders angeordnet. Alternativ oder zusätzlich ist die Ansteuerungselektronik innerhalb eines Elektronikbauraums des Rotationsabscheiders angeordnet. Vorzugsweise ist ein oder sind mehrere Gasführungselemente der konvektiven Kühleinrichtung als Gaskanäle ausgebildet, welche sich durch den Antriebsbauraum und/oder den Elektronikbauraum erstrecken. Diese Gaskanäle können so ausgeführt sein, dass es neben der reinen Durchströmung noch zu speziellen Verwirbelungen kommt, um die Konvektion weiter zu verbessern. Ein oder mehrere Gasführungselemente der konvektiven Kühleinrichtung können auch als teilweise oder vollständig umlaufender Ringspalt ausgebildet sein, in welchem sich ein kühlender Gasmantel ausbildet.
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In einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Rotationsabscheiders ist der Abscheiderotor in einer Abscheidekammer des Rotationsabscheiders angeordnet, wobei der Rotationsabscheider eine Abschirmeinrichtung umfasst, welche den Antriebsbauraum und/oder den Elektronikbauraum von der Abscheidekammer abschirmt. Das eine oder die mehreren Gasführungselemente befinden sich vorzugsweise an der Abschirmeinrichtung. Alternativ oder zusätzlich erstreckt sich der eine oder erstrecken sich die mehreren Gasführungspfade durch die Abschirmeinrichtung. Der elektrische Antrieb und/oder die Ansteuerungselektronik können durch die Abschirmeinrichtung gekapselt sein. Vorzugsweise erstrecken sich als Gaskanäle ausgebildete Gasführungselemente durch die Abschirmeinrichtung. Die Gasführungselemente können durch die Konturierung und/oder Geometrie der Abschirmeinrichtung gebildet sein. Die Kühlung durch die eine oder die mehreren konvektiven Kühleinrichtungen kann durch eine Minimierung der sich im Antriebsbauraum und/oder Elektronikbauraum befindenden isolierenden Luftspalte unterstützt werden. Die Abschirmeinrichtung kann aus einem gut wärmeleitenden Material hergestellt werden, beispielsweise Stahl, wie etwa Edelstahl, oder einem Kunststoff mit guten Wärmeleiteigenschaften. Die Abschirmeinrichtung kann aus einem Duromer ausgebildet sein. Die Abschirmeinrichtung ist beispielsweise aus Polyphenylensulfid (PPS), einem Novolak, Epoxid (EP) oder einem faserverstärkten Polyphthalamid, beispielsweise aus C9-Diamin und Terephthalsäure (PA9T), ausgebildet. Die Abschirmeinrichtung kann thermisch mit dem Abscheidergehäuse des Rotationsabscheiders gekoppelt sein, idealerweise ist das Abscheidergehäuse ebenfalls aus einem thermisch gut leitenden Material ausgebildet. Die Abschirmeinrichtung und das Abscheidergehäuse können über große Kontaktflächen und/oder Wärmeleitpaste thermisch miteinander gekoppelt sein. Der Spulen aufweisende Stator des elektrischen Antriebs kann über eine große Kontaktfläche und/oder Wärmeleitpaste und/oder eine Elektrovergussmasse und/oder eine thermisch leitende Umspritzung thermisch mit der Abschirmeinrichtung gekoppelt sein.
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Es ist darüber hinaus ein erfindungsgemäßer Rotationsabscheider mit einer Bauteilumspritzung bevorzugt, welcher ein oder mehrere Teile des elektrischen Antriebs und/oder die Ansteuerungselektronik des elektrischen Antriebs umgibt, wobei sich das eine oder die mehreren Gasführungselemente an der Bauteilumspritzung befinden und/oder sich der eine oder die mehreren Gasführungspfade durch die Bauteilumspritzung erstrecken. Vorzugsweise erstrecken sich als Gaskanäle ausgebildete Gasführungselemente durch die Bauteilumspritzung. Die Gaskanäle können während des Umspritzungsvorgang urformend eingebracht werden. Alternativ können die Gaskanäle auch nachträglich in die Bauteilumspritzung, beispielsweise durch Materialabtrag, eingebracht werden.
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Es ist darüber hinaus ein erfindungsgemäßer Rotationsabscheider bevorzugt, bei welchem ein oder mehrere Gasführungselemente der konvektiven Kühleinrichtung als Rohgasführungselemente ausgebildet und dazu eingerichtet sind, das Heißgas vor Durchströmen des Abscheiderotors zu führen. In diesem Fall wird das Heißgas vor der Partikelabscheidung durch den Abscheiderotor zum Kühlen eines oder mehrerer Teile des elektrischen Antriebs und/oder der Ansteuerungselektronik genutzt. Alternativ oder zusätzlich sind eine oder mehrere Gasführungselemente der konvektiven Kühleinrichtung als Reingasführungselemente ausgebildet und dazu eingerichtet, das Heißgas nach Durchströmen des Abscheiderotors zu führen. In diesem Fall wird das Heißgas nach erfolgter Partikelabscheidung durch den Abscheiderotor zum Kühlen eines oder mehrerer Teile des elektrischen Antriebs und/oder der Ansteuerungselektronik des elektrischen Antriebs genutzt. Die Temperatur des Heißgases kann sich während des Durchströmens des Abscheiderotors verringern, sodass das Heißgas auf der Reinseite eine geringere Temperatur als auf der Rohseite aufweisen kann. In diesem Fall kann die Temperaturabsenkung durch die Durchströmung des Abscheiderotors durch eine Reingaskühlung des elektrischen Antriebs und/oder der Ansteuerungselektronik ausgenutzt werden. In anderen Einsatzbereichen kann das Durchströmen des Abscheiderotors zu einer Temperatursteigerung des Heißgases führen. In diesem Fall führt eine Rohgaskühlung zu besseren Kühlergebnissen. Je nach Anwendungsfall kann also sowohl das partikelbeladene Heißgas als auch das abgereinigte Heißgas zum Kühlen eines oder mehrerer Teile des elektrischen Antriebs und/oder der Ansteuerungselektronik verwendet werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rotationsabscheiders sind ein oder mehrere Gaskanäle als Bestandteile eines abscheiderinternen Gaszirkulationspfads ausgebildet. In dem abscheiderinternen Gaszirkulationspfad kann das Heißgas zum Kühlen des einen oder der mehreren Teile des elektrischen Antriebs und/oder der Ansteuerungselektronik des elektrischen Antriebs zirkulieren. Das Heißgas kann somit mehrfach an dem einen oder den mehreren Teilen des elektrischen Antriebs und/oder der Ansteuerungselektronik vorbeigeführt und/oder durch den Antriebsbauraum und/oder Elektronikbauraum durchgeleitet werden.
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Es ist darüber hinaus ein erfindungsgemäßer Rotationsabscheider bevorzugt, bei welchem der Gaszirkulationspfad durch einen ersten Strömungsbereich der Abscheidekammer und einen zweiten Strömungsbereich der Abscheidekammer verläuft, wobei sich im Betrieb des Rotationsabscheiders in dem ersten Strömungsbereich ein anderer Gasdruck einstellt als in dem zweiten Strömungsbereich. Zwischen dem ersten Strömungsbereich und dem zweiten Strömungsbereich bildet sich also eine Gasdruckdifferenz aus. Die Heißgasströmung entlang des Gaszirkulationspfads wird vorzugsweise durch Ausnutzen des vorhandenen Druckgefälles unterstützt. Bei rotierendem Abscheiderotor stellt sich in achsnahen Strömungsbereichen ein geringerer Gasdruck als in achsfernen Strömungsbereichen ein.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der erfindungsgemäße Rotationsabscheider ein Lüfterrad auf, welches dazu eingerichtet ist, das Heißgas zum Kühlen des einen oder der mehreren Teile des elektrischen Antriebs und/oder der Ansteuerungselektronik des elektrischen Antriebs entlang eines oder mehrerer Gaskühlungspfade zu fördern. Das Lüfterrad kann drehsteif mit dem Abscheiderotor verbunden oder Bestandteil des Abscheiderotors sein. Das Lüfterrad und der Abscheiderotor können auf derselben Antriebswelle angeordnet sein. Das Lüfterrad kann strömungsseitig vor oder auch hinter einem Magnetrotor des elektrischen Antriebs angeordnet sein. Das Lüfterrad kann beispielsweise zwischen einem Tellerpaket aus übereinander gestapelten Abscheidetellern und dem elektrischen Antrieb angeordnet sein. Alternativ kann das Lüfterrad auf der dem Tellerpaket abgewandten Seite des elektrischen Antriebs angeordnet sein. Insbesondere ist das Lüfterrad auf der dem Tellerpaket abgewandten Seite des Stators und/oder des Magnetrotors des elektrischen Antriebs angeordnet. Das Lüfterrad kann in der für den Betrieb vorgesehenen Ausrichtung des Rotationsabscheiders also beispielsweise oberhalb oder unterhalb des Stators und/oder des Magnetrotors des elektrischen Antriebs angeordnet sein. Das Lüfterrad kann auch über eine Konturierung des Magnetrotors gebildet werden. Das Lüfterrad kann Bestandteil einer Bauteilumspritzung, beispielsweise einer Rotor- oder Magnetumspritzung, sein oder mit einer Bauteilumspritzung, beispielsweise einer Rotor- oder Magnetumspritzung, verbunden sein.
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Der erfindungsgemäße Rotationsabscheider wird ferner dadurch vorteilhaft weitergebildet, dass eine konvektive Kühleinrichtung ein oder mehrere An- und/oder Durchströmelemente umfasst, welche wärmeübertragend mit einem oder mehreren Teilen des elektrischen Antriebs und/oder der Ansteuerungselektronik des elektrischen Antriebs verbunden und dazu eingerichtet sind, zum Kühlen des einen oder der mehreren Teile des elektrischen Antriebs und/oder der Ansteuerungselektronik des elektrischen Antriebs mittels des Heißgases von dem Heißgas angeströmt und/oder durchströmt zu werden. Alternativ oder zusätzlich ist das eine oder sind die mehreren An- und/oder Durchströmelemente dazu eingerichtet, zum Kühlen des einen oder der mehreren Teile des elektrischen Antriebs und/oder der Ansteuerungselektronik des elektrischen Antriebs mittels der aus dem Heißgas abgeschiedenen flüssigen Partikel von den flüssigen Partikeln angeströmt oder durchströmt zu werden. Die An- und/oder Durchströmelemente sorgen also für einen verbesserten Wärmeaustausch zwischen dem Heißgas und dem einen oder den mehreren zu kühlenden Teilen des elektrischen Antriebs und/oder der Ansteuerungselektronik und/oder für einen verbesserten Wärmeaustausch zwischen den aus dem Heißgas abgeschiedenen flüssigen Partikeln und dem einen oder den mehreren zu kühlenden Teilen des elektrischen Antriebs und/oder der Ansteuerungselektronik des elektrischen Antriebs.
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Es ist ferner ein erfindungsgemäßer Rotationsabscheider vorteilhaft, bei welchem das eine oder die mehreren An- und/oder Durchströmelemente an oder in der Abschirmeinrichtung und/oder an oder in der Bauteilumspritzung angeordnet sind. Alternativ oder zusätzlich ist das eine oder sind die mehreren An- und/oder Durchströmelemente als oberflächenvergrößernde Konturelemente ausgebildet. Alternativ oder zusätzlich ist das eine oder sind die mehreren An- und/oder Durchströmelemente als Oberflächenstrukturierung ausgebildet. Die Konturelemente können beispielsweise Dellen oder Rippen sein. Die Konturelemente können Verwirbelungszonen für eine verbesserte Konvektion ausbilden. Die Oberfläche der Abschirmeinrichtung oder der Umspritzung, welche mit dem kühlenden Heißgas umströmt wird, kann für einen gesteigerten Wärmeaustausch über die Konturelemente vergrößert sein. Die Oberflächenstrukturierung kann durch Schuppen und/oder eine Aufrauhung gebildet werden.
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In einer anderen bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rotationsabscheiders umfasst eine konvektive Kühleinrichtung ein oder mehrere Flüssigkeitsführungselemente, welche dazu eingerichtet sind, die aus dem Heißgas abgeschiedenen flüssigen Partikel zum Kühlen des einen oder mehreren Teile des elektrischen Antriebs und/oder der Ansteuerungselektronik des elektrischen Antriebs entlang eines oder mehrerer Flüssigkeitskühlungspfade zu führen. Die aus dem Heißgas abgeschiedenen flüssigen Partikel sammeln sich aufgrund von Schwerkrafteinwirkung in einem Sammelbereich des Rotationsabscheiders, vorzugsweise oberhalb des elektrischen Antriebs und/oder oberhalb der Ansteuerungselektronik. Auch die aus dem Heißgas abgeschiedenen flüssigen Partikel können zur Kühlung eingesetzt werden. Die aus dem Heißgas abgeschiedenen flüssigen Partikel können durch den elektrischen Antrieb und/oder die Ansteuerungselektronik durchgeführt werden und/oder an dem elektrischen Antrieb und/oder der Ansteuerungselektronik entlanggeführt werden. Die flüssigen Partikel, beispielsweise Öl, haben eine höhere Wärmekapazität als das Heißgas und sind daher sogar besser zum Kühlen geeignet. Zumindest ein Abschnitt des einen oder der mehreren Flüssigkeitskühlungspfade verläuft im Nahbereich eines oder mehrerer Teile des elektrischen Antriebs und/oder der Ansteuerungselektronik des elektrischen Antriebs, sodass ein Wärmeaustausch mit den aus dem Heißgas abgeschiedenen flüssigen Partikeln erfolgt. Mehrere Flüssigkeitsführungselemente können dazu eingerichtet sein, die aus dem Heißgas abgeschiedenen flüssigen Partikel zum Kühlen von Spulen eines feststehenden Stators des elektrischen Antriebs an den Spulen entlangzuführen. Zumindest ein Abschnitt des einen oder der mehreren Flüssigkeitskühlungspfade verläuft im Nahbereich der Spulen des elektrischen Antriebs, sodass ein Wärmeaustausch mit dem aus dem Heißgas abgeschiedenen flüssigen Partikeln erfolgt. Ein oder mehrere Flüssigkeitsführungselemente können dazu eingerichtet sein, die aus dem Heißgas abgeschiedenen Partikel zum Kühlen eines Lagers für die Antriebswelle des Abscheiderotors an dem Lager entlangzuführen. Zumindest ein Abschnitt des einen oder der mehreren Flüssigkeitskühlungspfade verläuft im Nahbereich des Lagers, sodass ein Wärmeaustausch mit den aus dem Heißgas abgeschiedenen flüssigen Partikeln erfolgt. Ein oder mehrere Flüssigkeitsführungselemente können dazu eingerichtet sein, die aus dem Heißgas abgeschiedenen flüssigen Partikel zum Kühlen einer Leiterplatte der Ansteuerungselektronik an der Leiterplatte, insbesondere an Wärmequellen auf der Leiterplatte, entlangzuführen. Abschnitte des einen oder der mehreren Flüssigkeitskühlungspfade verlaufen vorzugsweise im Nahbereich der Leiterplatte der Ansteuerungselektronik, insbesondere im Nahbereich von Wärmequellen auf der Leiterplatte, sodass ein Wärmeaustausch mit den aus dem Heißgas abgeschiedenen flüssigen Partikeln erfolgt. Der eine oder die mehreren Flüssigkeitskühlungspfade verlaufen vorzugsweise auf einer Seite der Leiterplatte, auf welcher die elektrischen und/oder elektronischen Bauteile oberflächenmontiert sind.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rotationsabscheiders ist das eine oder sind die mehreren Teile des elektrischen Antriebs innerhalb eines Antriebsbauraums des Rotationsabscheiders angeordnet und/oder die Ansteuerungselektronik ist innerhalb eines Elektronikbauraums des Rotationsabscheiders angeordnet. Vorzugsweise ist eine oder sind mehrere Flüssigkeitsführungselemente der konvektiven Kühleinrichtung als Flüssigkeitskühlungskanäle ausgebildet, welche sich durch den Antriebsbauraum und/oder den Elektronikbauraum erstrecken. Die Flüssigkeitskanäle können Ölkanäle sein. Ein oder mehrere Flüssigkeitsführungselemente der konvektiven Kühleinrichtung können auch als teilweise oder vollständig umlaufender Ringspalt ausgebildet sein, in welchem sich ein kühlender Flüssigkeitsmantel, insbesondere ein Ölmantel, ausbildet.
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Der erfindungsgemäße Rotationsabscheider wird ferner dadurch vorteilhaft weitergebildet, dass der Abscheiderotor in einer Abscheidekammer des Rotationsabscheiders angeordnet ist, wobei der Rotationsabscheider eine Abschirmeinrichtung umfasst, welche den Antriebsbauraum und/oder den Elektronikbauraum von der Abscheidekammer abschirmt, wobei sich das eine oder die mehreren Flüssigkeitsführungselemente an der Abschirmeinrichtung befinden und/oder sich der eine oder die mehreren Flüssigkeitsführungspfade durch die Abschirmeinrichtung erstrecken. Vorzugsweise erstrecken sich als Flüssigkeitskanäle ausgebildete Flüssigkeitsführungselemente durch die Abschirmeinrichtung. Flüssigkeitsführungselemente können durch die Konturierung und/oder Geometrie der Abschirmeinrichtung gebildet sein.
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Es ist darüber hinaus ein erfindungsgemäßer Rotationsabscheider mit einer Bauteilumspritzung bevorzugt, wobei die Bauteilumspritzung ein oder mehrere Teile des elektrischen Antriebs und/oder die Ansteuerungselektronik umgibt, wobei sich das eine oder die mehreren Flüssigkeitsführungselemente an der Bauteilumspritzung befinden und/oder sich der eine oder die mehreren Flüssigkeitsführungspfade durch die Bauteilumspritzung erstrecken. Vorzugsweise erstrecken sich als Flüssigkeitskanäle ausgebildete Flüssigkeitsführungselemente durch die Bauteilumspritzung.
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Vorzugsweise sind das Lager und die Antriebswelle thermisch gekoppelt, sodass durch die Antriebswelle Wärme vom Lager abgeführt wird. Der im Nahbereich des Lagers auf die Antriebswelle gepresste Magnetrotor ist grundsätzlich dazu geeignet, Wärme, die über den Lagerinnenring in die Antriebswelle eingetragen wird, aus der Antriebswelle abzuleiten und durch die Rotationsgeschwindigkeiten an die Umgebung abzugeben. Die Kontaktfläche zwischen Magnetrotor und Antriebswelle ist vorzugsweise aus einem thermisch gut leitenden Material, beispielsweise einem Metall bzw. eine Metalllegierung, ausgebildet. Metall ist auch bei einem Pressverbund zwischen dem Magnetrotor und der Antriebswelle bevorzugt, insbesondere, wenn ein geblechter Kern genutzt wird, um einzelne Magnete aufzunehmen. Zwischen der Antriebswelle und dem Magnetrotor liegt vorzugsweise eine Metall/Metall-Verbindung vor. Ein geblechter Magnet (Inter Permanent Magnet, IPC) ist bevorzugt, da gute magnetische Flüsse erreicht werden und zudem ein robuster Käfig entsteht, den man direkt auf eine Stahlwelle aufpressen kann. Durch den auf die Antriebswelle gepressten Stahlkäfig erreicht man in der Kontaktzone den gewünschten thermischen Fluss. Wenn der Magnet anschließend noch ummantelt wird, beispielsweise durch eine Umspritzung, verteilt sich die Wärme im Magneten gleichmäßig und die wärmeabgebende Oberfläche wird vergrößert. Alternativ zum IPC-Magneten führt auch eine in den Magneten eingespritzte Metallhülse zu einem verbesserten Wärmeübergang. Alternativ oder zusätzlich zur Wärmeableitung über den Magneten kann die Wärmeableitung auch über die Deckscheibe des Rotors oder über die Abscheideteller des Tellerpakets des Rotors selbst erfolgen, wenn diese aus einem thermisch gut leitenden Material, beispielsweise Kunststoff oder Metall, ausgebildet sind.
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Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert und beschrieben. Dabei zeigen:
- 1 einen erfindungsgemäßen Rotationsabscheider in einer schematischen Schnittdarstellung;
- 2 die Abschirmeinrichtung des in der 1 abgebildeten Rotationsabscheiders in einer schematischen Perspektivdarstellung;
- 3 einen weiteren erfindungsgemäßen Rotationsabscheider in einer schematischen Schnittdarstellung;
- 4 eine Bauteilumspritzung eines erfindungsgemäßen Rotationsabscheiders in einer schematischen Perspektivdarstellung;
- 5 einen Teilbereich eines erfindungsgemäßen Rotationsabscheiders in einer schematischen Schnittdarstellung;
- 6 einen Teilbereich eines weiteren erfindungsgemäßen Rotationsabscheiders in einer schematischen Schnittdarstellung;
- 7 einen Teilbereich eines weiteren erfindungsgemäßen Rotationsabscheiders in einer schematischen Schnittdarstellung;
- 8 einen Teilbereich eines weiteren erfindungsgemäßen Rotationsabscheiders in einer schematischen Schnittdarstellung; und
- 9 einen weiteren erfindungsgemäßen Rotationsabscheider in einer schematischen Schnittdarstellung.
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Die 1 zeigt einen Rotationsabscheider 10 zum Abscheiden von flüssigen Partikeln P, nämlich Ölpartikeln, aus einem Heißgas G.
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Der Rotationsabscheider 10 umfasst ein Abscheidergehäuse 12, in welchem ein Abscheiderotor 14 angeordnet ist. Der Abscheiderotor 14 befindet sich in einer Abscheidekammer 18 des Rotationsabscheiders 10 und ist zum Abscheiden von Partikeln P aus dem Heißgas G von dem Heißgas G durchströmbar. Der Abscheiderotor 14 umfasst ein Tellerpaket mit mehreren übereinander gestapelten Abscheidetellern 24. Der Rotationsabscheider 10 ist also als Tellerseparator ausgebildet. Die Abscheideteller 24 sind über eine Antriebswelle 22 mit einem elektrischen Antrieb 28 des Rotationsabscheiders 10 verbunden. Der elektrische Antrieb 28 dient zum rotatorischen Antreiben des Abscheiderotors 14 und ist als Elektromotor, nämlich als BLDC-Motor, ausgebildet. Der elektrische Antrieb 28 ist in der für den Betrieb des Rotationsabscheiders 10 vorgesehenen Ausrichtung des Rotationsabscheiders 10 unterhalb des Abscheiderotors 14 und unterhalb der Abscheidekammer 18 angeordnet.
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Die Antriebswelle 22 ist über die als Wälzlager ausgebildeten Lager 26a, 26b innerhalb des Abscheidergehäuses 12 gelagert. Zum Ansteuern des elektrischen Antriebs 28 umfasst der Rotationsabscheider 10 ferner eine Ansteuerungselektronik 30.
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Der Rotationsabscheider 10 umfasst ferner eine Abschirmeinrichtung 38, wobei die Abschirmeinrichtung 38 als Abschirmgehäuse ausgebildet ist und einen Antriebsbauraum 42 und einen Elektronikbauraum 44 von der Abscheidekammer 18 abschirmt. Der elektrische Antrieb 28 umfasst einen Magnetrotor 32 und einen feststehenden Stator 34. Der Spulen 36 umfassende Stator 34 ist in dem durch die Abschirmeinrichtung 38 von der Abscheidekammer 18 abgeschirmten Antriebsbauraum 42 angeordnet. Die Ansteuerungselektronik 30 ist in dem durch die Abschirmeinrichtung 38 von der Abscheidekammer 18 abgeschirmten Elektronikbauraum 44 angeordnet.
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Der Rotationsabscheider 10 umfasst eine konvektive Kühleinrichtung 40a-40c, welche dazu eingerichtet ist, das Heißgas G zum Kühlen des Magnetrotors 32 und des Stators 34 des elektrischen Antriebs 28 zu nutzen. Die konvektive Kühleinrichtung umfasst mehrere Gasführungselemente 40a-40c, welche dazu eingerichtet sind, das Heißgas zum Kühlen des Magnetrotors 32 und des Stators 34 des elektrischen Antriebs 28 entlang von mehreren Gaskühlungspfaden GKP zu führen.
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Die 2 zeigt, dass die Gasführungselemente 40a-40c als Gaskanäle im Bereich des Ringspalts zwischen dem Magnetrotor 32 und dem Stator 34 ausgebildet sind, sodass sich die durch die als Gaskanäle ausgebildeten Gasführungselemente 40a-40c ergebenden Gaskühlungspfade zwischen dem Magnetrotor 32 und dem Stator 34 verlaufen. Die Gaskanäle werden durch in Axialrichtung verlaufende nutenförmige Einbuchtungen in der als Abschirmgehäuse ausgebildeten Abschirmeinrichtung 38 gebildet.
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Obwohl das Heißgas G vergleichsweise hohe Temperaturen aufweist und beispielsweise während des Betriebs des Rotationsabscheiders 10 135 °C erreichen kann, weist das Heißgas G meist eine geringere Temperatur als der elektrische Antrieb 28 auf, welcher im Betrieb beispielsweise Temperaturen von 150 °C und mehr erreichen kann. Das Heißgas G kann durch die Rotation des Abscheiderotors 14 hohe Strömungsgeschwindigkeiten erreichen, sodass über die Gasführungselemente 40a-40c eine kühlende Heißgasströmung innerhalb des Abscheidergehäuses 12 ausgebildet werden kann.
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Das Heißgas G kann ein Luft-Schadgas-Gemisch sein, beispielsweise Blow-By-Gas.
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Die 3 zeigt einen Rotationsabscheider 10, welcher zusätzlich zu den Gasführungselementen 40a-40c eine als Flüssigkeitsführung ausgebildete Kühleinrichtung 48 umfasst. Die Flüssigkeitsführung 48 umfasst einen Ringspalt, welcher die als Abschirmgehäuse ausgebildete Abschirmeinrichtung 38 umgibt. Die über den rotierenden Abscheiderotor 14 aus dem Heißgas G abgeschiedenen flüssigen Partikel P fließen aufgrund von Schwerkrafteinwirkung über den Ringspalt 48 in den Sammelbereich 50 innerhalb des Abscheidergehäuses 12. Der Sammelbereich 50 liegt unterhalb des Magnetrotors 32 und unterhalb der Spulen 36 des feststehenden Stators 34. Über die Flüssigkeitsführungselemente 48, 50 werden die aus dem Heißgas G abgeschiedenen flüssigen Partikel P zum Kühlen des elektrischen Antriebs 28 entlang eines Flüssigkeitskühlungspfads FKP geführt, welcher im Nahbereich der Spulen 36 verläuft. Der Sammelbereich 50 ist ferner unmittelbar oberhalb der Ansteuerungselektronik 30 des Rotationsabscheiders 10 angeordnet. Die Ansteuerungselektronik 30 umfasst eine Leiterplatte, wobei die auf der Leiterplatte oberflächenmontierten elektrischen und elektronischen Bauteile sich auf der im Sammelbereich 50 zugewandten Seite der Leiterplatte befinden. Auf diese Weise kann der Partikelstrom auch zum konvektiven Kühlen der Ansteuerungselektronik 30 genutzt werden. An den Sammelbereich 50 schließt sich eine Ablauföffnung 46 an, über welche die aus dem Heißgas G abgeschiedenen flüssigen Partikel P aus dem Abscheidergehäuse 12 abgelassen werden können.
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Die 4 zeigt eine Bauteilumspritzung 52 eines Rotationsabscheiders 10. Die Bauteilumspritzung 52 umgibt die Spulen 36 des elektrischen Antriebs 28 und die Ansteuerungselektronik 30. Die Bauteilumspritzung 52 weist zwei konvektive Kühleinrichtungen 54a-54f, 56a-56f auf. Die erste Kühleinrichtung wird durch mehrere sich durch die Bauteilumspritzung 52 erstreckende und als Gaskanäle ausgebildete Durchströmelemente 54a-54f gebildet, welche über das Umspritzungsmaterial der Bauteilumspritzung 52 wärmeübertragend mit den Spulen 36 und der Ansteuerungselektronik 30 des elektrischen Antriebs 28 verbunden und dazu eingerichtet sind, zum Kühlen der Spulen 36 und der Ansteuerungselektronik 30 mittels des Heißgases G von dem Heißgas G durchströmt zu werden.
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Die Spulenumspritzung wird von als Flüssigkeitskanälen ausgebildeten Flüssigkeitsführungselementen 56a-56f umgeben. Die aus dem Heißgas G abgeschiedenen flüssigen Partikel P fließen aufgrund von Schwerkrafteinwirkung durch die Flüssigkeitskanäle 56a-56f und dienen somit zusätzlich als Kühlmedium für die Spulen 36 und die Ansteuerungselektronik 30.
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Die 5 zeigt einen Rotationsabscheider 10 mit einer das abgereinigte Heißgas G nutzenden konvektiven Kühleinrichtung 58. Die konvektive Kühleinrichtung 58 wird durch eine Gasführung unterhalb der Spulen 36 des Stators 34 und unterhalb des Magnetrotors 32 umgesetzt. Das Reingas strömt nach erfolgter Abreinigung entlang des Gasführungselements 58 zu dem Auslassstutzen 20, über welchen das abgereinigte Heißgas den Rotationsabscheider 10 verlässt. Hierbei strömt das Heißgas entlang eines Gaskühlungspfads GKP, welcher im Nahbereich der Spulen 36 und der Ansteuerungselektronik 30 verläuft.
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Die 6 zeigt einen Rotationsabscheider 10, bei welchem die unterhalb des Magnetrotors 32 verlaufenden Abschnitte der Gaskanäle Bestandteile eines abscheiderinternen Gaszirkulationspfads GZP sind. In dem Gaszirkulationspfad GZP wird das Heißgas G zum Kühlen des elektrischen Antriebs 28 und der Ansteuerungselektronik 30 so geführt, dass es in einem ersten Strömungsbereich SB1 aus der Abscheidekammer 18 ausgeleitet und in einem zweiten Strömungsbereich SB2 wieder in die Abscheidekammer 18 eingeleitet wird.
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Der Rotationsabscheider umfasst ein Lüfterrad 60, welches das Heißgas G zum Kühlen des elektrischen Antriebs 28 und der Ansteuerungselektronik 30 entlang der Gaskühlungspfade GKP und durch den Gaszirkulationspfad GZP fördert. Das Lüfterrad 60 ist zwischen einem (nicht dargestellten) Tellerpaket aus übereinander gestapelten Abscheidetellern und dem elektrischen Antrieb 28 angeordnet. Das Lüfterrad 60 ist in der für den Betrieb vorgesehenen Ausrichtung des Rotationsabscheiders 10 also oberhalb des Stators und des Magnetrotors des elektrischen Antriebs 28 angeordnet. Alternativ kann das Lüfterrad 60 auf der dem Tellerpaket abgewandten Seite des Stators und des Magnetrotors des elektrischen Antriebs 28 angeordnet sein. Das Lüfterrad 60 ist in diesem Fall in der für den Betrieb vorgesehenen Ausrichtung des Rotationsabscheiders 10 also unterhalb des Stators und des Magnetrotors des elektrischen Antriebs 28 angeordnet.
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Die 7 zeigt einen Rotationsabscheider 10, bei welchem der Gaszirkulationspfad GZP durch einen ersten Strömungsbereich SB1 der Abscheidekammer 18 und einen zweiten Strömungsbereich SB2 der Abscheidekammer 18 verläuft, wobei sich im Betrieb des Rotationsabscheiders 10 in dem ersten Strömungsbereich SB1 ein anderer Gasdruck einstellt als in dem zweiten Strömungsbereich SB2. Die Heißgasströmung entlang des Gaszirkulationspfads GZP wird durch Ausnutzen des vorhandenen Druckgefälles unterstützt. Bei rotierendem Abscheiderotor 14 stellt sich in achsnahen Strömungsbereichen ein geringerer Gasdruck als in den achsfernen Strömungsbereichen ein.
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Die 8 zeigt einen Rotationsabscheider 10, bei welchem ein Wärmestrom W zum Kühlen des als Wälzlager ausgebildeten Lagers 26b umgesetzt wird.
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Das Lager 26b und die Antriebswelle 22 sind thermisch miteinander gekoppelt, sodass über die Antriebswelle 22 Wärme vom Lager 26 abgeführt werden kann. Über den im Nahbereich des Lagers 26b auf die Antriebswelle 22 gepressten Magnetrotor 32 wird die Wärme, die über den Lagerinnenring in die Antriebswelle 22 eingetragen wird, abgeleitet. Die Kontaktfläche zwischen dem Magnetrotor 32 und der Antriebswelle 22 ist eine Metall/Metall-Verbindung, sodass ein guter Wärmefluss gewährleistet wird.
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Die 9 zeigt einen Rotationsabscheider 10, bei welchem die im Lager 26b entstehende Lagerwärme über die Antriebswelle 22 auf die Abscheideteller 24 des Abscheiderotors 14 übertragen wird. Einzelne oder sämtliche Abscheideteller 24 des Tellerpakets, insbesondere der obere und/oder der untere Deckteller, können aus einem besonders wärmeleitfähigen Material ausgebildet sein, beispielsweise aus einem besonders wärmeleitfähigen Kunststoff und/oder aus Metall.
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Bezugszeichen
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- 10
- Rotationsabscheider
- 12
- Abscheidergehäuse
- 14
- Abscheiderotor
- 18
- Abscheidekammer
- 20
- Auslassstutzen
- 22
- Antriebswelle
- 24
- Abscheideteller
- 26a, 26b
- Lager
- 28
- elektrischer Antrieb
- 30
- Ansteuerungselektronik
- 32
- Magnetrotor
- 34
- Stator
- 36
- Spulen
- 38
- Abschirmeinrichtung
- 40a-40c
- Gasführungselemente
- 42
- Antriebsbauraum
- 44
- Elektronikbauraum
- 46
- Ablauföffnung
- 48
- Flüssigkeitsführungselement
- 50
- Sammelbereich
- 52
- Bauteilumspritzung
- 54a-54f
- Durchströmelemente
- 56a-56f
- Flüssigkeitsführungselemente
- 58
- Gasführungselement
- 60
- Lüfterrad
- G
- Heißgas
- GKP
- Gaskühlungspfade
- GZP
- Gaszirkulationspfad
- FKP
- Flüssigkeitskühlungspfade
- P
- Partikel
- SB1, SB2
- Strömungsbereiche
- W
- Wärmestrom