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Die Erfindung betrifft eine Fluidpumpe zum Fördern eines Fluides, insbesondere in einem Fluidpfad eines Kühlsystems, sowie ein Kühlsystem mit einer solchen Fluidpumpe.
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Fluidpumpen finden oftmals in Kühlsystemen Anwendung, um ein als Kühlmedium fungierendes Fluid zu fördern. Aufgrund des insbesondere in Kraftfahrzeugen oftmals begrenzten Bauraums sollen solche Fluidpumpe möglichst kompakt ausgeführt sein. Dabei erweist sich jedoch als problematisch, dass die elektrischen Komponenten der Fluidpumpe im Betrieb Abwärme erzeugen, welche gerade bei kompakter Bauweise nur relativ schwierig aus der Fluidpumpe abgeführt werden kann.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Ausführungsform für eine Fluidpumpe zu schaffen, die sich insbesondere durch eine verbesserte Wärmeabführung bei gleichzeitig geringem Bauraumbedarf auszeichnet.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Grundidee der Erfindung ist demnach, eine Steuerungseinrichtung der Fluidpumpe, deren Leistungselektronik im Betrieb Abwärme erzeugt, außerhalb des Pumpengehäuses anzuordnen und elektrisch mit einem innerhalb des Pumpengehäuses angeordneten Elektromotor zum Antreiben der Fluidpumpe zu verbinden. Auf diese Weise kann der innerhalb der Fluidpumpe benötigte Bauraum reduziert werden. Da die Abwärme erzeugende Steuerungseinrichtung außerhalb des Pumpengehäuses angeordnet ist, fällt innerhalb des Pumpengehäuses nur wenig Abwärme an. Somit müssen für den Elektromotor und für die Fördereinheit keinerlei spezielle Maßnahmen zur Abführung dieser Abwärme getroffen werden. Folglich wird innerhalb des Pumpengehäuses auch kein oder nur wenig Bauraum für Maßnahmen zur Wärmeabführung benötigt. Die Steuerungseinrichtung kann hingegen außerhalb des Pumpengehäuses an einer Stelle - insbesondere im Abstand zum Pumpengehäuse - positioniert werden, in welcher die Abführung der von der Leistungselektronik erzeugten Abwärme einfach und effektiv möglich ist. Durch die zwischen dem Elektromotor und der Leistungselektronik vorgesehene elektrische Verbindung ist sichergestellt, dass der Elektromotor zum Antreiben der Fördereinheit und somit zum Fördern des Fluides von der Leistungselektronik elektrisch bestromt werden kann. Die hier vorgestellte, erfindungsgemäße Fluidpumpe lässt sich daher auf flexible und bauraumsparende Weise in einem Kühlsystem verbauen. Dabei erweist es sich insbesondere als vorteilhaft, dass das Pumpengehäuse mit der Fördereinheit und mit dem Elektromotor einerseits und die Steuerungseinrichtung mit der Leistungselektronik andererseits räumlich getrennt voneinander an unterschiedlichen Positionen des Kühlsystems angeordnet werden können.
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Eine erfindungsgemäße Fluidpumpe dient zum Fördern eines Fluides, insbesondere in einem Fluidpfad. Das Fluid kann als Kühlmedium fungieren. Die Fluidpumpe umfasst ein Pumpengehäuse, welches einen Pumpengehäuseinnenraum umgibt. Am Pumpengehäuse sind ein Fluideinlass zum Einleiten des Fluides in den Pumpengehäuseinnenraum und ein Fluidauslass zum Ausleiten des Fluides aus dem Pumpengehäuseinnenraum ausgebildet. Außerdem ist im Pumpengehäuseinnenraum eine Fördereinheit zum Antreiben des in den Pumpengehäuseinnenraum eingeleiteten Fluides angeordnet. Die Fördereinheit kann eine drehbare Antriebswelle mit Förderschaufeln zum Transportieren des Fluides aufweisen. Die Antriebswelle kann drehbar am Pumpengehäuse gelagert sein. Außerdem ist im Pumpengehäuseinnenraum ein Elektromotor zum Antreiben der Fördereinheit angeordnet. Der Elektromotor kann ein dreiphasiger BLDC-Motor sein. Der Elektromotor kann mit der Antriebswelle der Fördereinheit antriebsverbunden sein. Außerhalb des Pumpengehäuses ist eine Steuerungseinrichtung der Fluidpumpe angeordnet. Die Steuerungseinrichtung umfasst eine Leistungselektronik, welche zum Ansteuern des Elektromotors elektrisch mit dem Elektromotor verbunden ist. Die Leistungselektronik kann Leistungstransistoren - beispielsweise MOSFETs - zum elektrischen Bestromen des Elektromotors umfassen, die im Betrieb des Elektromotors Abwärme erzeugen. Die Leistungselektronik kann weitere elektrische und elektronische Bauteile zum Steuern der Leistungstransistoren aufweisen. Auch diese Bauteile können im Betrieb Abwärme erzeugen. Die genannten Bauteile können auf einer Leiterplatte angeordnet sein.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Steuerungseinrichtung im Abstand zum Pumpengehäuse angeordnet und mittels einer elektrischen Verbindung elektrisch mit dem Elektromotor verbunden. Auf diese Weise können die Steuerungseinrichtung und das Pumpengehäuse an verschiedenen Positionen in einem Kühlsystem verbaut werden. Insbesondere ist es möglich, die Steuerungseinrichtung so zu platzieren, dass die von der Leistungselektronik erzeugte Abwärme wirksam abgeführt werden kann. Hierzu ist es insbesondere denkbar, die Steuerungseinrichtung so zu positionieren, dass sie thermisch an einen Fluidpfad gekoppelt ist, durch welchen ein als Kühlmedium fungierendes Fluid strömt. In diesem Fall kann die von der Steuerungseinrichtung erzeugte Abwärme vom Kühlmedium bzw. Fluid aufgenommen und abtransportiert werden. Bei dem Fluid bzw. Kühlmedium kann es sich um dasjenige Fluid handeln, welches von der Fluidpumpe gefördert wird. In diesem Fall kann es sich bei dem thermisch an die Steuerungseinrichtung gekoppelten Fluidpfad um denjenigen Fluidpfad handeln, in welchem die Fluidpumpe angeordnet ist. Alternativ dazu können aber auch unterschiedliche Fluide bzw. Fluidpfade verwendet werden. In diesem Fall ist also der thermisch an die Steuerungseinrichtung gekoppelte Fluidpfad von demjenigen Fluidpfad, in welchem die Fluidpumpe angeordnet ist, verschieden. Folglich ist auch das von der Steuerungseinrichtung Abwärme aufnehmende Fluid von jenem Fluid verschieden, welches von der Fluidpumpe gefördert wird.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst die Steuerungseinrichtung ein separat zum Pumpengehäuse ausgebildetes Gehäuse. Das Gehäuse umgibt einen Gehäuseinnenraum, in welchem die Leistungselektronik angeordnet ist. Auf diese Weise kann die Leistungselektronik vor Beschädigung oder gar Zerstörung geschützt werden. Darüber hinaus kann die Steuerungseinrichtung unabhängig vom Pumpengehäuse im Abstand zu diesem verbaut werden.
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Besonders bevorzugt ist das Gehäuse der Steuerungseinrichtung daher im Abstand zum Pumpengehäuse angeordnet. Dies ermöglicht eine Anordnung des Pumpengehäuses mit der Fördereinheit und mit dem Elektromotor unmittelbar in dem Fluidpfad. Demgegenüber kann die Steuerungseinrichtung mit der Abwärme erzeugende Leistungselektronik im Abstand vom Fluidpfad in einer Position angeordnet werden, in welcher sich die erzeugte Abwärme besonders effektiv abführen lässt.
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Zweckmäßig ist ein Gehäusematerial des Gehäuses der Steuerungseinrichtung wenigstens bereichsweise ein Metall. Da Metalle grundsätzlich eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen, erleichtert dies die Abführung der von der Leistungselektronik erzeugten Abwärme aus dem Gehäuseinnenraum nach außen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann am Pumpengehäuse und am Gehäuse der Steuerungseinrichtung jeweils eine elektrische Durchführung vorgesehen sein. Durch diese Durchführungen ist eine elektrische Verbindung zwischen dem Elektromotor und der Leistungselektronik durchgeführt. So lässt sich auf einfache Weise die erforderliche elektrische Verbindung zwischen dem im Pumpengehäuse angeordneten Elektromotor und der im Gehäuse der Steuerungseinrichtung angeordneten Leistungselektronik realisieren.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weist die elektrische Verbindung wenigstens zwei elektrische Versorgungsleitungen auf. Bevorzugt können vier elektrische Versorgungsleitungen vorgesehen sein. Somit kann sowohl ein Gleichstrommotor als auch ein dreiphasiger BDLC-Motor mit elektrischer Energie versorgt werden, um den Rotor des Elektromotors und somit auch die mit dem Elektromotor antriebsverbundene Fördereinheit anzutreiben.
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Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung umfasst die elektrische Verbindung eine elektrische Abschirmung, insbesondere eine elektrische Abschirmungsleitung. Auf diese Weise kann eine Einkopplung von elektrischen Störsignalen in die elektrischen Versorgungsleitungen vermieden oder einer solchen Einkopplung zumindest entgegengewirkt werden.
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Bevorzugt kann das Pumpengehäuse einstückig ausgebildet sein. Diese Variante ist besonders einfach herstellbar. Außerdem wird gegenüber einer zwei- oder mehrstückigen Ausbildung des Pumpengehäuses vermieden, dass aufgrund von Leckagen Fluid aus dem Pumpengehäuseinnenraum in die äußere Umgebung des Pumpengehäuses austreten kann. Auch kann auf die Bereitstellung von Dichtungen zwischen den einzelnen Gehäuseteilen verzichtet werden. Damit wiederum gehen Kostenvorteile bei der Herstellung des Pumpengehäuses einher.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das einstückige Pumpengehäuse aus wenigstens zwei Gehäuseteilen gebildet. Die wenigstens zwei Gehäuseteile sind jeweils mittels einer stoffschlüssigen Verbindung unlösbar miteinander verbunden. Somit können die im Pumpengehäuse zu platzierenden Komponenten der Fluidpumpe, also insbesondere die Fördereinheit und der Elektromotor, im Zuge des Zusammenbaus im Gehäuseinnenraum platziert und anschließend die den Gehäuseinnenraum umgebenden Gehäuseteile stoffschlüssig aneinandergefügt werden. Dies vereinfacht den Zusammenbau der Fluidpumpe gegenüber herkömmlichen, mehrteiligen Fluidpumpen in nicht unerheblichem Maße.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das einstückige Pumpengehäuse einen Pumpengehäuseflansch zum Montieren des Pumpengehäuses an einem externen Kühlsystem. Der Pumpengehäuseflansch steht bei dieser Ausführungsform radial nach außen von einer Umfangswandung des Pumpengehäuses ab und ist integral an der Umfangswandung ausgeformt. Somit lässt sich die Fluidpumpe auf einfache Weise an einer Komponente des Kühlsystems befestigen.
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Da die im Pumpengehäuseinnenraum angeordneten Komponenten keine oder nur relativ wenig Abwärme erzeugen, ist es nicht unbedingt erforderlich, zur Wärmeabführung als Gehäusematerial ein Metall mit hoher Wärmeleitfähigkeit zu verwenden. Zweckmäßig kann das Material des Pumpengehäuses daher ein Kunststoff sein oder einen Kunststoff umfassen. Diese Maßnahme führt zu reduzierten Kosten bei der Erstellung der Fluidpumpe.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Kühlsystem. Das erfindungsgemäße Kühlsystem umfasst einen von einem Kühlmedium durchströmbaren Fluidpfad. Im Fluidpfad ist zum Fördern des Kühlmediums eine voranstehend vorgestellte, erfindungsgemäße Fluidpumpe angeordnet. Die voranstehend erläuterten Vorteile der erfindungsgemäßen Fluidpumpe übertragen sich daher auf das erfindungsgemäße Kühlsystem. Das Kühlsystem kann weitere im Fluidpfad angeordnete Komponenten zum Beeinflussen des Fluides wie etwa einen Wärmeübertrager, eine Filtereinrichtung sowie eine Ventileinrichtung und dergleichen umfassen. Die Steuerungseinrichtung der Fluidpumpe ist beim erfindungsgemäßen Kühlsystem im Abstand zum Pumpengehäuse angeordnet und thermisch an den Fluidpfad gekoppelt, so dass von der Steuerungseinrichtung im Betrieb erzeugte Abwärme an das durch den Fluidpfad geförderte Kühlmedium abgegeben werden kann.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Kühlsystems ist der Fluidpfad von einem Rohrkörper begrenzt, an welchem die Steuerungseinrichtung angeordnet ist. Besonders bevorzugt kann das Gehäuse der Steuerungseinrichtung am Rohrkörper befestigt sein. Somit kann das durch den Fluidpfad strömende Fluid als Kühlmedium fungieren, welches die von der Leistungselektronik erzeugte Abwärme aufnehmen kann.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Kühlsystems weist das Kühlsystem einen Modulflansch auf, an welchem die Fluidpumpe, vorzugsweise mit ihrem Pumpengehäuseflansch, befestigt ist. Dies erleichtert die Montage der Fluidpumpe am Kühlsystem.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch:
- 1 eine grobschematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Kühlsystems
- 2 die Fluidpumpe des Kühlsystems der 1 in separater perspektivischer Darstellung.
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1 illustriert in schematischer Darstellung ein Beispiel einer erfindungsgemä-ßen Kühlsystem 20 mit einer erfindungsgemäßen Fluidpumpe 1. Das Kühlsystem 20 umfasst einen von einem Kühlmedium K in Form eines Fluides F durchströmbaren Fluidpfad 21. In dem Fluidpfad 21 ist zum Fördern des Fluides F die Fluidpumpe 1 angeordnet. Der Fluidpfad 21 kann beispielsweise von einem Rohrkörper 22 begrenzt sein. Die Fluidpumpe 1 umfasst ein Pumpengehäuse 2, welches einen Pumpengehäuseinnenraum 3 umgibt.
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Zur Verdeutlichung zeigt die 2 die in 1 nur schematisch dargestellte Fluidpumpe 1 in einer perspektivischen Darstellung. Am Pumpengehäuse 2 sind stirnseitig ein Fluideinlass 4a zum Einleiten des Fluides F in den Pumpengehäuseinnenraum 3 und umfangsseitig ein Fluidauslass 4b (nur in 1 erkennbar, in 2 verdeckt) zum Ausleiten des Fluides F aus dem Pumpengehäuseinnenraum 3 ausgebildet. Im Pumpengehäuseinnenraum 3 ist eine Fördereinheit 18 zum Antreiben des in den Pumpengehäuseinnenraum 3 eingeleiteten Fluides F vorgesehen. Ferner ist im Pumpengehäuseinnenraum 3 ein Elektromotor 19 zum Antreiben der Fördereinheit 18 angeordnet. Der Elektromotor 19 kann ein DreiPhasen-Motor sein. Zum Steuern der Bewegung eines Rotors (nicht gezeigt) des Elektromotors 19 und zum hierfür erforderlichen elektrischen Bestromen des Stators (nicht gezeigt) des Elektromotors 19 ist außerhalb des Pumpengehäuses 2 eine elektrische Steuerungseinrichtung 6 mit einer Leistungselektronik 5 vorhanden. Zum Steuern bzw. elektrischen Bestromen des Elektromotors 19 ist die im Abstand zum Pumpengehäuse 2 angeordnete Steuerungseinrichtung 6 mittels einer elektrischen Verbindung 15 elektrisch mit dem Elektromotor 19 verbunden.
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Wie 2 veranschaulicht, kann das Pumpengehäuse 2 eine zylindrische geometrische Formgebung aufweisen. Eine axiale Richtung A erstreckt sich dann entlang einer Mittellängsachse M des zylindrischen Pumpengehäuses 2. Eine radiale Richtung R erstreckt sich senkrecht zur axialen Richtung A von der Mittellängsachse M weg. Eine Umfangsrichtung U läuft senkrecht sowohl zur axialen Richtung A als auch zur radialen Richtung R um die Mittellängsachse M um. Das Pumpengehäuse 2 ist im Beispielszenario einstückig ausgebildet. Das einstückige Pumpengehäuse 2 ist dabei aus drei Gehäuseteilen 11a, 11b, 11c gebildet, die jeweils mittels einer stoffschlüssigen Verbindung 7a, 7b - beispielsweise einer Schweißverbindung - unlösbar miteinander verbunden sind. Das Material des Pumpengehäuses 2 kann ein Kunststoff sein. Das einstückige Pumpengehäuse 2 kann wie in den 1 und 2 gezeigt einen Pumpengehäuseflansch 8 zum Montieren des Pumpengehäuses 2 an einem Modulflansch 23 des Kühlsystems 20 aufweisen. Gemäß 2 kann der Pumpengehäuseflansch 8 radial nach au-ßen von einer Umfangswandung 9 des Pumpengehäuses 2 abstehen und integral an dieser ausgeformt sein. Die Umfangswandung 9 des Pumpengehäuses 2 erstreckt sich entlang der Umfangsrichtung U und läuft vollständig um die Mittellängsachse M um. Der Pumpengehäuseflansch 8 kann wie in 2 dargestellt mehrere entlang der Umfangsrichtung U im Abstand zueinander angeordnete und radial nach außen von der Umfangswandung 9 abstehende Vorsprünge 10 aufweisen, in welchen jeweils eine Durchgangsöffnungen 25 angeordnet ist. Die Durchgangsöffnungen 25 können für Schraubverbindungen verwendet werden. Das Kühlsystem 20 kann einen Modulflansch 23 aufweisen, an welchem die Fluidpumpe 1 mit dem Pumpengehäuseflansch 8 befestigt sein kann. Mittels des Pumpengehäuseflansches 8 kann die Fluidpumpe 1 mit dem Modulflansch 23 verschraubt werden.
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Die Steuerungseinrichtung 6 umfasst gemäß 1 ein separat zum Pumpengehäuse 2 ausgebildetes Gehäuse 12, welches einen Gehäuseinnenraum 14 umgibt (in 2 nicht gezeigt). Im Gehäuseinnenraum 14 der Steuerungseinrichtung 6 ist die Leistungselektronik 5 angeordnet. Wie 1 weiterhin veranschaulicht, ist das Gehäuse 12 der Steuerungseinrichtung 6 im Abstand zum Pumpengehäuse 2 angeordnet. Am Pumpengehäuse 2 und am Gehäuse 12 der Steuerungseinrichtung 6 ist jeweils eine elektrische Durchführung 24a, 24b vorhanden. Durch die beiden Durchführungen 24a, 24b ist eine elektrische Verbindung 15 zwischen dem Elektromotor 19 und der Leistungselektronik 5 durchgeführt. Die elektrische Verbindung 15 umfasst im Beispiel vier elektrische Versorgungsleitungen 16 zum elektrischen Bestromen der Spulen des Stators (nicht gezeigt) des 3-phasigen Elektromotors 19. Die elektrische Verbindung 15 kann außerdem eine elektrische Abschirmung 13 zum Abschirmen der Versorgungsleitungen 16 umfassen, die wiederum eine elektrische Abschirmungsleitung 17 aufweisen kann.
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Da gemäß 1 die Steuerungseinrichtung 6 der Fluidpumpe 1 im Abstand zum Pumpengehäuse 2 angeordnet ist, kann die Fluidpumpe 1 unmittelbar an dem den Fluidpfad 21 begrenzenden Rohrkörper 22 angeordnet sein. Dadurch wiederum kann die Leistungselektronik 5 thermisch an das durch den Fluidpfad 21 geführte Fluid F bzw. Kühlmedium K gekoppelt werden. Auf diese Weise wird die von der Leitungselektronik 5 erzeugte Abwärme auf das Fluid F übertragen, wodurch die Leistungselektronik 5 gekühlt wird.
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Das Gehäusematerial des Gehäuses 12 der Steuerungseinrichtung 6 ist wenigstens bereichsweise ein Metall. Dies gilt insbesondere für denjenigen Bereich des Gehäuses 12, welcher am Rohrkörper 22 anliegt. Auf diese Weise kann der thermische Kontakt zwischen der Leistungselektronik 5 und dem durch den Rohrkörper 22 strömenden Fluid F verbessert werden.
