DE102018104770A1

DE102018104770A1 - Elektrische Kühlmittelpumpe

Info

Publication number: DE102018104770A1
Application number: DE102018104770.3A
Authority: DE
Inventors: Conrad Nickel; Franz Pawellek; Jens Hoffmann
Original assignee: Nidec GPM GmbH
Current assignee: Nidec GPM GmbH
Priority date: 2018-03-02
Filing date: 2018-03-02
Publication date: 2019-09-05
Also published as: CN111801501A; US20210003147A1; WO2019166118A1; US11708843B2; BR112020017549A2; EP3759356B1; EP3759356A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Kühlmittelpumpe (1), insbesondere zur Förderung von Kühlflüssigkeit zur Kühlung eines Verbrennungsmotors eines Fahrzeugs. Die elektrische Kühlmittelpumpe (1) weist ein Pumpenlaufrad (2) zur Beschleunigung des zu fördernden Kühlmittels, eine Rotorwelle (3), auf dem das Pumpenlaufrad (2) angebracht ist, einen Elektromotor (6) mit einem Stator (8) und einem Rotor (7) zum Antrieb der Rotorwelle (3), eine Steuerschaltung (13) zur Steuerung des Elektromotors (6) und ein Pumpengehäuse (10), welches zumindest die Steuerschaltung (13) und den Elektromotor (6) aufnimmt, auf. Das Pumpengehäuse (10) ist vom zu fördernden Kühlmittel durchfließbar. Das zu fördernde Kühlmittel umfließt hierbei den Stator (8), den Rotor (7) und die Steuerschaltung (13).

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Kühlmittelpumpe, insbesondere zur Förderung von Kühlflüssigkeit zur Kühlung eines Verbrennungsmotors eines Fahrzeugs.
Durch DE 698 18 392 T2 ist eine derartige elektrische Kühlmittelpumpe mit einem auf einer Rotorwelle angebrachten Pumpenlaufrad und einem die Rotorwelle antreibenden Elektromotor bekannt. Das Pumpengehäuse, in dem der Elektromotor untergebracht ist, wird hierbei durch das zu fördernde Kühlmittel durchflossen. Die beim Betrieb des Elektromotors im Rotor und Stator erzeugte Abwärme kann auf diese Weise auf das Kühlmittel übertragen und die Kühlmittelpumpe entsprechend gekühlt werden. Dies wiederum führt zu einer Wirkungsgradsteigerung des Elektromotors. Die Steuerschaltung des Elektromotors allerdings ist in einer separaten, vom eigentlichen Pumpengehäuse getrennten Aufnahmekammer angeordnet. Die elektronischen Komponenten der Steuerschaltung stehen damit nicht im unmittelbaren Kontakt zum Kühlmittel. Die Kühlwirkung des Kühlmittels auf die Steuerschaltung ist somit allenfalls gering.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrische Kühlmittelpumpe mit hoher Wärmeabfuhr zu schaffen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine elektrische Kühlmittelpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die elektrische Kühlmittelpumpe weist ein Pumpenlaufrad zur Beschleunigung des zu fördernden Kühlmittels, eine Rotorwelle, auf dem das Pumpenlaufrad angebracht ist, einen Elektromotor mit einem Stator und einem Rotor zum Antrieb der Rotorwelle, eine Steuerschaltung zur Steuerung des Elektromotors und ein Pumpengehäuse, welches zumindest die Steuerschaltung und den Elektromotor aufnimmt, auf. Das Pumpengehäuse ist vom zu fördernden Kühlmittel durchfließbar. Das zu fördernde Kühlmittel umfließt hierbei den Stator, den Rotor und die Steuerschaltung.
Das Pumpengehäuse wird beim Betrieb der Kühlmittelpumpe durch das zu fördernde Kühlmittel durchflossen. Mit anderen Worten erzeugt das Pumpenlaufrad neben der Förderung des Kühlmittels im eigentlichen Kühlkreislauf (z.B. Kühlkreislauf zur Kühlung eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeuges) einen Volumenstrom des Kühlmittels durch das Pumpengehäuse. Die innerhalb des Pumpengehäuses angeordneten Komponenten, insbesondere der Stator, der Rotor und die Steuerschaltung werden somit vom Kühlmittel umflossen. Die von den genannten Komponenten erzeugte Abwärme kann auf diese Weise effizient abgeführt werden.
Hierbei ist hervorzuheben, dass nicht nur der Stator und der Rotor des Elektromotors vom Kühlmittel umflossen werden, sondern auch die Steuerschaltung. Dies bedeutet, dass die elektronischen Komponenten (z.B. elektronische Schaltkreiselemente, Leiterplatten,...) der Steuerschaltung im direkten Kontakt mit dem zu fördernden Kühlmittel stehen. Dieser direkte Kontakt führt zu einer besonders effektiven Kühlung der Steuerschaltung. Im Vergleich zu herkömmlichen elektrischen Kühlmittelpumpen, in denen ein derartiger Kontakt zwischen dem Kühlmittel und der Steuerschaltung fehlt, kann auf diese Weise die Leistungsdichte erhöht, das Bauvolumen verringert, die Zuverlässigkeit verbessert und/oder die Lebensdauer erhöht werden.
Die Steuerschaltung kann hierbei als elektronische Steuereinheit (electric control unit - ECU) ausgebildet sein.
Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen elektrischen Kühlmittelpumpe sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
In einer vorteilhaften Ausführungsform kann im Pumpengehäuse eine Zuflussöffnung zum Einfließen des zu fördernden Kühlmittels in das Pumpengehäuse ausgebildet sein. Eine derartige Zuflussöffnung ermöglicht die definierte Zufuhr von Kühlmittel. Die Durchflussrichtung und das Durchflussvolumen können durch die Dimensionierung und die Lage der Zuflussöffnung entsprechend eingestellt werden. Besonders vorteilhaft ist die Ausbildung der Zuflussöffnung in der dem Pumpenlaufrad zugewandten Gehäusewand. Dadurch kann die vom Pumpenlaufrad erzeugte Strömungsbewegung des zu fördernden Kühlmittels unmittelbar für eine Bewegung des Kühlmittels innerhalb des Pumpengehäuses sorgen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Zuflussöffnung mit einem Filterelement zur Filterung des einfließenden Kühlmittels versehen. Dies führt zu einem Schutz der im Pumpengehäuse angeordneten Komponenten vor Verschmutzungen oder Schäden durch eventuell im Kühlkreislauf vorhandene Verunreinigungen. Beispielsweise kann auf diese Weise der Eintrag von Partikeln, der die Funktionsweise des Rotorwellenlagers oder des Rotors negativ beeinflussen, verhindert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Pumpengehäuse mit einer dielektrischen Kühlflüssigkeit als zu förderndes Kühlmittel befüllt. In vorteilhafter Weise sind dieser Kühlflüssigkeit Metallkorrosion hemmende Bestandteile beigemengt. Auf diese Weise wird eine weitgehend wartungsfreie, robuste und langlebige Funktionsfähigkeit der Kühlmittelpumpe gewährleistet. Zugleich können elektrische Fehlfunktionen des Elektromotors oder der Steuerschaltung verhindert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Kühlmittelpumpe ferner ein Gleitlager zur Lagerung der Rotorwelle in dem Pumpengehäuse aufweisen. Neben der Kostenersparnis gegenüber dem auch möglichen Wälz- bzw. Kugellager vermindert sich auch der benötigte Bauraum. Einen entsprechend kompakten Aufbau kann die Kühlmittelpumpe besitzen.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann das Pumpengehäuse aus einem Polymerwerkstoff gefertigt sein. Da die Wärmeabfuhr des Elektromotors und der Steuerschaltung über das zu fördernde Kühlmittel erfolgt, spielt das Wärmeabfuhrvermögen des Pumpengehäuses eine untergeordnete Rolle. Es kann daher auf ein Metallgehäuse verzichtet und auf ein kostengünstiges Pumpengehäuse aus einem Polymerwerkstoff zurückgegriffen werden. Hierbei kann das Pumpengehäuse insbesondere aus einem thermoplastischen Polymerwerkstoff gefertigt sein. Dies hat den Vorteil, dass auf einfache Weise ein Umspritzen des Stators durch den Werkstoff des Gehäuses erfolgen kann. Die Fertigung der Kühlmittelpumpe wird dadurch vereinfacht.
Die Erfindung wird nachfolgend durch Ausführungsbeispiele anhand der begleitenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:

1 eine Schnittansicht eines ersten Ausführungsbeispiels der elektrischen Kühlmittelpumpe;
2 eine Schnittansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels der elektrischen Kühlmittelpumpe; und
3 eine weitere Schnittansicht des ersten Ausführungsbeispiels der elektrischen Kühlmittelpumpe.

Nachfolgend wird der Aufbau zweier beispielhafter Ausführungsformen der erfindungsgemäßen elektrischen Kühlmittelpumpe in Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
Die in 1 dargestellt elektrische Kühlmittelpumpe 1 dient zur Förderung eines Kühlmittels in einem schematisch dargestellten Kühlkreislauf. Dieser Kühlkreislauf kann beispielsweise zur Kühlung eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs dienen und im Wesentlichen aus Kühlkanälen bestehen, durch die das Kühlmittel den zu kühlenden Bauteilen und anschließend einer Wärmesenke (z.B. Kühler) zugeführt wird. Diese Kühlkanäle sind in den Zeichnungsfiguren nicht näher dargestellt. Das Kühlmittel kann beispielsweise eine dielektrische Kühlflüssigkeit sein, dem Metallkorrosion hemmende Bestandteile beigesetzt sind. Dieses Kühlmittel wird durch ein Pumpenlaufrad 2 der Kühlmittelpumpe 1 innerhalb des Kühlkreislaufs zirkuliert. Die Bewegungsrichtung des Kühlmittels innerhalb des Kühlkreislaufs ist in den Zeichnungsfiguren durch Pfeile angedeutet.
Das Pumpenlaufrad 2 ist auf einer Rotorwelle 3 angebracht. Diese Rotorwelle 3 wiederum ist über ein Gleitlager 4 in einem Pumpengehäusegrundkörper 5 gelagert. Zur Abstützung des Gleitlagers 4 ist im Pumpengehäusegrundkörper 5 eine zylinderförmige Innenwandung ausgebildet, die als Auflager für das Gleitlager 4 dient. Ein Elektromotor 6 treibt die Rotorwelle 3 und damit das Pumpenlaufrad 2 an. Hierzu ist ein Rotor 7 des Elektromotors 6 an die Rotorwelle 3 angeflanscht. Genauer handelt es sich bei dem Rotor 7 um einen topf- oder glockenförmigen Rotor 7, der mit einem ersten Endbereich mit der Rotorwelle 3 verbunden ist und mit einem zweiten Endbereich die oben genannte zylindrische Innenwandung radial außen umfasst. Ein drehfest mit dem Pumpengehäusegrundkörper 5 angeordneter Stator 8 umschließt den Rotor 7 radial außen. Der Stator 8 versetzt den Rotor 7 in Drehung und sorgt auf diese Weise für den Antrieb des Pumpenlaufrads 2.
Der Pumpengehäusegrundkörper 5 ist im Wesentlichen topfförmig ausgebildet und bildet zusammen mit einem Gehäusedeckel 9 das Pumpengehäuse 10. Die dem Gehäusedeckel 9 gegenüberliegende Stirnfläche des Pumpengehäusegrundkörpers 5 wird von der Rotorwelle 3 durchbrochen, sodass das Pumpenlaufrad 2 außerhalb des Pumpengehäuses 10, aber in unmittelbarer Nähe und parallel zu der oben genannten Stirnfläche innerhalb des Kühlkreislaufs (also insbesondere innerhalb eines Kühlkanals) liegt. In dieser Stirnfläche ist eine Zuflussöffnung 11 ausgebildet, die mit einem Filter 12 zur Filterung des einfließenden Kühlmittels versehen ist. Die Zuflussöffnung 11 ist hierbei derart angeordnet, dass diese innerhalb des Bereichs einer Projektion des Pumpenlaufrads 2 senkrecht auf die Stirnfläche liegt.
Im dem Pumpenlaufrad 2 gegenüberliegenden Endbereich des Pumpengehäuses 10, d.h. im Bereich des Gehäusedeckels 9 ist eine Steuerschaltung 13 des Elektromotors 6 angeordnet. Die Steuerschaltung 13 ist als ECU ausgebildet. Die elektronischen Komponenten der Steuerschaltung 13 sind hierbei in Richtung des Inneren des Pumpengehäuses 10 orientiert.
Das Pumpengehäuse 10 ist gegenüber der Atmosphäre fluiddicht ausgebildet, sodass das sich innerhalb des Pumpengehäuses 10 befindende Kühlmittel nicht in die Umgebung entweichen kann. Der Pumpengehäusegrundkörper 5 und der Gehäusedeckel 9 sind aus einem thermoplastischen Polymerwerkstoff gefertigt.
Bei der Zirkulation des Kühlmittels im Kühlkreislauf durch das Pumpenrad 2 wird ein Teil des Kühlmittels durch die Zuflussöffnung 11 in das Pumpengehäuse 10 eingebracht, umfließt die innerhalb des Pumpengehäuses 10 angebrachten Komponenten und verlässt das Pumpengehäuse 10 im Bereich des Gleitlagers 4 und dem Durchbruch der Rotorwelle 3 durch die Stirnseite im Bereich des Pumpenrads 2 wieder. Der Kühlmittelfluss des Kühlmittels innerhalb des Pumpengehäuses 10 ist in den Zeichnungsfiguren ebenfalls durch Pfeile dargestellt. Hierbei umfließt das eingebrachte Kühlmittel insbesondere den Stator 8, die Steuerschaltung 13 und den Rotor 7, um anschließend das Pumpengehäuse 10 im Bereich des Gleitlagers 4 wieder zu verlassen. Der Rotor 7, der Stator 8 und die elektronischen Komponenten der Steuerschaltung 13 stehen damit im direkten Kontakt mit dem zu fördernden Kühlmittel. Dieser direkte Kontakt führt zu einer besonders effektiven Kühlung der Komponenten.
Die in 2 dargestellt elektrische Kühlmittelpumpe 101 unterscheidet sich von der in 1 dargestellten Kühlmittelpumpe 1 lediglich durch die Ausbildung der Rotorwellenlagerung und durch den Verzicht auf den Filter 12 in der Zuführöffnung 11. Anstelle des Gleitlagers 4 aus 1 wird die Rotorwelle 3 in diesem Ausführungsform durch eine Wälzlagerung 104 im Pumpengehäusegrundkörper 5 gelagert.
3 stellt eine weitere Schnittansicht der in 1 dargestellten elektrischen Kühlmittelpumpe 1 dar. Während in 1 der Zufluss des Kühlmittels über den Kühlkreislauf lediglich schematisch dargestellt ist, zeigt 3 einen als Deckel ausgebildeten flügelradseitigen Gehäuseabschluss 14, der zusammen mit dem Pumpengehäusegrundkörper 5 und dem Pumpenlaufrad 2 eine konkrete Ausgestaltung für einen Strömungsraum für das Kühlmittel im Bereich der Kühlmittelpumpe 1 bildet.
Koaxial zur Mittelachse der Rotorwelle 3 ist am flügelradseitigen Gehäuseabschluss 14 ein Fortsatz 15 ausgebildet, der als Axiallager für die Rotorwelle 3 dient. Zusammen mit dem Gleitlager 4 sorgt dieser Fortsatz 15 damit für eine stabile Lagerung der Rotorwelle 3 und des auf der Rotorwelle 3 angebrachten Pumpenlaufrads 2.
In der in 3 dargestellten Ausführungsform der Kühlmittelpumpe 1 ist das Axiallager der Rotorwelle 3 im flügelradseitigen Gehäuseabschluss 14 ausgebildet. Es ist jedoch auch möglich, das Axiallager der Welle im Pumpengehäusegrundkörper 5 oder gegebenenfalls auch am Gehäusedeckel 9 auszubilden.
Bezugszeichenliste

1: Kühlmittelpumpe
2: Pumpenlaufrad
3: Rotorwelle
4: Gleitlager
5: Pumpengehäusegrundkörper
6: Elektromotor
7: Rotor
8: Stator
9: Gehäusedeckel
10: Pumpengehäuse
11: Zuflussöffnung
12: Filter
13: Steuerschaltung
14: flügelradseitiger Gehäuseabschluss
15: Fortsatz
101: Kühlmittelpumpe
104: Wälzlagerung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 69818392 T2 [0002]

Claims

Elektrische Kühlmittelpumpe (1) mit: einem Pumpenlaufrad (2) zur Beschleunigung des zu fördernden Kühlmittels; einer Rotorwelle (3), auf dem das Pumpenlaufrad (2) angebracht ist, einem Elektromotor (6) zum Antrieb der Rotorwelle (3), welcher einen Stator (8) und einen Rotor (7) aufweist, eine Steuerschaltung (13) zur Steuerung des Elektromotors (6), und einem Pumpengehäuse (10), welches zumindest die Steuerschaltung (13) und den Elektromotor (6) aufnimmt, wobei das Pumpengehäuse (10) vom zu fördernden Kühlmittel durchfließbar ist, und wobei das zu fördernde Kühlmittel hierbei den Stator (8), den Rotor (6) und die Steuerschaltung (13) umfließt.
Elektrische Kühlmittelpumpe nach Anspruch 1, wobei im Pumpengehäuse eine Zuflussöffnung (11) zum Einfließen des zu fördernden Kühlmittels in das Pumpengehäuse (10) ausgebildet ist.
Elektrische Kühlmittelpumpe nach Anspruch 2, wobei die Zuflussöffnung (11) in der dem Pumpenlaufrad (2) zugewandten Gehäusewand des Pumpengehäuses (10) ausgebildet ist.
Elektrische Kühlmittelpumpe nach einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei die Zuflussöffnung (11) mit einem Filter (12) zur Filterung des einfließenden Kühlmittels versehen ist.
Elektrische Kühlmittelpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Pumpengehäuse (10) mit einer dielektrischen Kühlflüssigkeit als zu förderndes Kühlmittel befüllt ist.
Elektrische Kühlmittelpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem Gleitlager (4) zur Lagerung der Rotorwelle (3) in dem Pumpengehäuse (10).
Elektrische Kühlmittelpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Pumpengehäuse (10) aus einem Polymerwerkstoff gefertigt ist.
Elektrische Kühlmittelpumpe nach Anspruch 7, wobei der Stator (8) mit dem Polymerwerkstoff umspritzt ist.