EP3676484B1

EP3676484B1 - Kühlmittelpumpe mit anwendungsoptimiertem aufbau

Info

Publication number: EP3676484B1
Application number: EP18740181.5A
Authority: EP
Inventors: Franz Pawellek; Conrad Nickel; Jens Hoffmann; Robin Büsch; Paul Ludwig; Jakob Schnitzer; Silvio Werner
Original assignee: Nidec GPM GmbH
Current assignee: Nidec GPM GmbH
Priority date: 2017-08-31
Filing date: 2018-07-10
Publication date: 2023-08-16
Anticipated expiration: 2038-07-10
Also published as: WO2019042638A1; CN111033008B; DE102017120039A1; US11125244B2; EP3676484A1; US20210071679A1; CN111033008A; BR112020002880A2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühlmittelpumpe, deren Aufbau durch eine Kombination aus einer Lagerung, Abdichtung und Elektromotor in Bezug auf Kosten, Bauraum und Lebensdauer auf das Anwendungsgebiet einer Zusatzwasserpumpe optimiert ist.
Derartige elektrische Zusatzwasserpumpen werden zur Zirkulation von Teilbereichen eines kühlmittelführenden Thermomanagementsystems eines Fahrzeugs verwendet, das mit einer Verbrennungsmaschine und einer Hauptwasserpumpe ausgestattet ist, um sogenannte Hotspots an Komponenten von Hilfseinrichtungen, wie an einer Abgasrückführung, an einem Turbolader, an einer Ladeluftkühlung oder dergleichen flexibler zu kühlen. Aufgrund der Redundanz zur Hauptwasserpumpe und der erhöhten Anzahl von Leitungen und Knotenpunkten bestehen für die Gattung solcher Zusatzwasserpumpen ein hoher Preisdruck sowie hohe Anforderungen an eine kompakte Bauform mit geringen Abmessungen zur Integration in einem komplexen Packaging moderner Thermomanagementsysteme.
In bislang etablierten Produkten von elektrischen Zusatzwasserpumpen werden, u.a. aufgrund der einfacheren Abdichtung in dem relativ kleinen Pumpenaufbau, Nassläufer-Elektromotoren vom Innenläufertyp eingesetzt. Der Einsatz von Nassläufer-Elektromotoren, an denen typischerweise der Stator durch ein Spaltrohr oder dergleichen gegenüber dem Rotor trocken abgekapselt ist und der Rotor sowie eine Lagerung auf einen Betrieb im Fördermedium ausgelegt sind, stellen eine bekannte Maßnahme dar, um der Problemstellung einer Leckage an einer Wellendichtung und einem Defekt einer Wellenlagerung zu begegnen.
Nassläufer weisen jedoch einen schlechteren Wirkungsgrad auf, da der Spalt zwischen dem Stator und dem Rotor zur Aufnahme eines Spaltrohrs größer ausfällt und eine auf den Rotor wirkende Feldstärke hierdurch abgeschwächt wird. Zudem tritt an dem Rotor Flüssigkeitsreibung auf, wodurch gerade bei den verhältnismäßig klein dimensionierten Pumpenantrieben von Zusatzwasserpumpen der Wirkungsgrad weiter abnimmt. Darüber hinaus treten an Nassläufern Probleme bei tiefen Temperaturen, wie Eisbildung im Spalt zwischen dem Stator und dem Rotor auf.
An größeren Pumpen wie den elektrischen Hauptwasserpumpen werden aufgrund des besseren Wirkungsgrads auch Trockenläufer-Elektromotoren eingesetzt. Zur Lagerung von Pumpenwellen, die von einem Trockenläufer-Elektromotor angetrieben werden, kommen überwiegend Wälzkörperlager, wie z.B. Kugellager zum Einsatz, die sowohl axiale und radiale Belastungen aufnehmen und geringe Reibwerte erzielen.
Allerdings sind Wälzkörperlager im Allgemeinen empfindlich gegen eindringende Feuchtigkeit, da die verwendeten Materialen, insbesondere geeignete Stähle von Wälzkörpern, für die Anwendung in Feuchtigkeit nicht ausreichend korrosionsbeständig sind. Ein Eintreten von Feuchtigkeit führt durch Korrosion zur Herabsetzung der Oberflächengüte der Wälzkörper und Laufbahnen, was in einer höheren Reibung des Lagers sowie entsprechender Wärmeentwicklung und weiteren Folgeschäden an Lagern und Dichtungen resultiert. Infolgedessen müssen die ohnehin kostenintensiven Wälzkörperlager in Pumpen an beiden Stirnseiten mit nochmals kostenintensiven Dichtungen versehen werden, die eine reibungsarme und zuverlässige Abdichtung gegen die auftretenden Arbeitsdrücke in der Pumpenkammer sicherstellen.
Neben dem Kostennachteil verursachen entsprechende Dichtungen stets eine geringe Leckage und stellen oftmals den begrenzenden Faktor der Lebensdauer einer Pumpe dar, da sie per se dem Reibungsverschleiß und einer Versprödung durch Druck- und Temperaturschwankung unterliegen.
Aus DE 10 2015 114 783 B3 derselben Anmelderin ist eine zur Verwendung als Hauptwasserpumpe ausgelegte elektrische Kühlmittelpumpe offenbart, bei der die Pumpenwelle durch ein einziges sogenanntes Wasserpumpenlager mit zwei Wälzkörperreihen zwischen dem Pumpenlaufrad und dem Elektromotor gelagert ist. Um dem Problem eines Leckageeintritts in das Lager und zu dahinterliegenden elektronischen Bauteilen eines Trockenläufer-Elektromotors zu begegnen, ist in dem Pumpengehäuse eine Leckagekammer zwischen einer Wellendichtung und dem Wasserpumpenlager vorgesehen, in welcher eine Leckage aufgefangen und abgeführt werden kann ohne mit dem Wasserpumpenlager in Kontakt zu gelangen. Eine dahinter liegende Leckagedichtung verhindert wiederum, dass eine aufgefangene, abzuführende Leckage in einen Gehäuseabschnitt eintritt, in dem die Motorkomponenten und eine Elektronik aufgenommen sind. Würde eine Leckage aus dem Leckageraum direkt in den Gehäuseabschnitt des Motors gelangen, so würde durch die Betriebstemperatur des Motors Wasserdampf aus dem Gehäuseabschnitt in entgegengesetzter Richtung an der nicht abgedichteten, ungeschützten Seite des Wasserpumpenlagers in das Lager eindringen und dieses auf Dauer zerstören.
Die Bereitstellung eines derartigen Leckageraums zwischen Pumpenkammer und Antrieb bringt den Nachteil des zusätzlichen Bauraums mit sich, der die axiale Abmessung des Pumpenaufbaus erhöht.
Ferner sind der Einsatz und die Montage der Wellendichtung und der Leckagedichtung mit Kosten verbunden, die für Produkte einer Zusatzwasserpumpe keine Akzeptanz fänden. Um das Risiko zu minimieren, dass das Wasserpumpenlager durch eindringenden Wasserdampf Schaden nimmt, wäre ferner der Einsatz und die Montage einer weiteren Lagerdichtung auf der ungeschützten Seite des Wasserpumpenlagers erforderlich.
Aus einer gattungsfernen Anwendung ist außerdem eine Umwälzpumpe für Heizungsanlagen aus der Patentanmeldung WO 2015/011268 A1 bekannt, die wiederum von einem Nassläufer-Elektromotor angetrieben wird. Die Pumpenwelle ist durch eine radiale Gleitlagerung und ein dahinter angeordnetes Axiallager mit einer Wellendichtung gelagert. Die Gleitlagerung wird durch eine Zuführung innerhalb der Pumpenwelle mit dem Fördermedium geschmiert. Ein axial dahinter anschließender Rotorraum ist durch eine Membran mit einer statischen Dichtungsfunktion zu einem Aufnahmeraum des Stators hin abgetrennt.
Auf die Problemstellung der Leckage an der Wellendichtung wird in der Offenbarung nicht eingegangen. Als kritischer Fall wird jedoch ein Durchschleifen der Membran genannt, der zu einem Flüssigkeitseintritt in den elektrischen Abschnitt des Aufnahmeraums führt, und durch einen Filter in der Zuführung der Schmierung vermieden werden soll.
Ferner zeigt die DE 100 12 662 B4 eine Kühlmittelpumpe und zeigt die WO 2015/ 121 052 A1 einen Elektromotor als Kraftfahrzeug-Nebenaggregat.
Basierend auf den Problemstellungen des diskutierten Stands der Technik, besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, einen einfachen, kostengünstigen und kompakten Pumpenaufbau für einen Trockenläufer-Elektromotor zu schaffen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht darin, einen Pumpenaufbau zu schaffen, bei dem ein Leckageraum zwischen einer Wellendichtung und dem Trockenläufer-Elektromotor zugunsten eines kürzeren axialen Aufbaus der Pumpe entfallen kann.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht darin, eine kostengünstige und langlebige Alternative in Bezug auf die Lagerung und die Abdichtung einer Welle zu schaffen.
Die Aufgaben werden erfindungsgemäß durch eine elektrische Kühlmittelpumpe nach dem Anspruch 1 gelöst.
Die elektrische Kühlmittelpumpe zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass die Motorkammer eine Öffnung zur Atmosphäre aufweist, die durch eine flüssigkeitsdichte und dampfdurchlässige Druckausgleichsmembran verschlossen ist und eine axiale Lagerung der Welle durch ein axiales Gleitlager bereitgestellt ist, das in einer Strömungsrichtung des Kühlmittels vor dem Pumpenlaufrad angeordnet ist.
Der Erfindung in ihrer allgemeinsten Form, liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch die erfindungsgemäße Auswahl, Kombination und Anordnung der einzelnen Komponenten der Pumpe, eine sich ergänzende Wirkungskette aus einer Druckminderung zur Begrenzung einer Leckage an einer Wellendichtung, einer optimalen Verdampfung einer Leckage und einer Abfuhr einer verdampften Leckage, unter Ausnutzung von Betriebsbedingungen in der Pumpe erzielt wird, wodurch darüber hinaus die den Aufgabenstellungen entsprechenden Vorteile konstruktiver und wirtschaftlicher Art verschafft werden.
Die Erfindung sieht vor, für einen Trockenläufer-Elektromotor einen druckverminderten Bereich für eine Wellendichtung vor einem Fördermedium zu schaffen, der axial hinter einem durch das Fördermedium geschmierten Gleitlager gebildet wird. Durch einen geringeren Druck des Fördermediums im Vergleich zu einer entsprechenden Dichtungsfläche innerhalb der Pumpenkammer, fällt eine Leckage, die an der Wellendichtung hindurch tritt, geringer aus.
Ferner sieht die Erfindung vor, hinter der Wellendichtung einen Trockenläufer-Elektromotor vom Außenläufertyp mit einer Rotorglocke zu verwenden, dessen, vorzugsweise geschlossene, Innenfläche der Wellendichtung zugewandt ist. Somit werden Flüssigkeitstropfen einer Leckage hinter der Wellendichtung durch radiale Beschleunigung an der Innenfläche der Rotorglocke zwangsweise durch den Luftspalt des Trockenläufers zwischen den offenen Feldspulen des Stators und den magnetischen Polen des Rotors hindurch geführt, bevor sie in eine Motorkammer mit Elektronik gelangen können. Dabei werden die Leckagetropfen durch die Betriebstemperatur des Elektromotors und durch eine turbulente Verwirbelung im Luftspalt verdampft. Der entstehende Wasserdampf gelangt erst danach in die Motorkammer und entweicht durch eine Membran in die Atmosphäre. Dadurch kann auf eine Kapselung des Stators und die damit verbundene Nachteile des Wirkungsgrads eines Elektromotors vom Nassläufertyp verzichtet werden.
Des Weiteren wird unter dem Einsatz eines Trockenläufers eine Alternative zur Verwendung von kostenintensiven Wälzkörperlagern und einer jeweils beidseitigen Abdichtung derselben geschaffen.
Infolgedessen entfällt der Nachteil einer begrenzten Lebensdauer jeder Lagerdichtung, der selbst bei aufwendigen Dichtungstypen stets vorliegt, sodass eine längere Lebensdauer der Zusatzwasserpumpe ohne Defekt der Wellenlagerung zu erwarten ist.
Zugleich wird durch den Wegfall von Wellendichtungen und Motordichtungen oder einem Spalttopf erfindungsgemäß ein Pumpenaufbau mit weniger Bauteilen und günstigen Gleitlagern ermöglicht.
Schließlich wird erfindungsgemäß ein kompakter Pumpenaufbau mit geringer axialer Abmessung erzielt, in dem trotz Wegfalls eines Leckageraums eine dauerhaft sichere Betriebsumgebung für einen Trockenläufer im Pumpengehäuse bereitgestellt ist.
Ferner wird durch die axiale Lagerung der Welle durch das axiale Gleitlager auch eine axiale Last an der Welle durch eine Gleitlagerung aufgenommen, wodurch im Einklang mit der Aufgabenstellung der Erfindung eine einfache, kostengünstige Wellenlagerung bereitgestellt wird, die ausschließlich aus zwei durch das Kühlmittel geschmierten Gleitlagern besteht.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Zusatzwasserpumpe sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann das axiale Gleitlager durch ein freies Ende der Welle und eine Anlauffläche an dem Pumpengehäuse, vorzugsweise an einem Pumpendeckel gebildet werden.
Während des Betriebs erzeugt das Pumpenlaufrad eine Schubkraft in Richtung des Saugstutzens bzw. Einlasses der Pumpe. Durch eine stirnseitige Gleitfläche der Welle und eine entsprechende gehäuseseitige Anlauffläche wird ein besonders einfaches jedoch ausreichendes Axiallager ohne notwendige axiale Fixierung in entgegengesetzter Richtung bereitgestellt. Dadurch können der Aufbau und die Montage weiter vereinfacht werden.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann die Wellendichtung wenigstens zwei Dichtlippen zur dynamischen Abdichtung auf dem Wellenumfang aufweisen, die zumindest zu einer axialen Seite dichtungswirksam ausgerichtet sind.
Durch eine doppellippige Wellendichtung wird ein günstiger und ausreichender Leckageschutz hinter dem axialen Gleitlager bereitgestellt, der im Vergleich zu Gleitringdichtungen eine erheblich bessere Abdichtung erzielt und lediglich eine geringe Ansammlungen von Leckagetropfen passieren lässt. Eine Abdichtung in entgegengesetzter Richtung, wie bei einem Pumpenaufbau mit einem trockenen Wälzlager, kann aufgrund des nasslaufenden Gleitlagers entfallen.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann das Pumpengehäuse wenigstens einen Schmierungskanal aufweisen, der die Pumpenkammer mit einem hinteren, der Pumpenkammer gegenüberliegendem Ende des radialen Gleitlagers verbindet.
Durch eine oder mehrere Verbindungen von dem vorderen und dem hinteren axialen Ende des Gleitlagers zu der Pumpenkammer kann zur Schmierung des Gleitlagers nicht nur eine einseitige statische Beaufschlagung mit Fördermittel bis zur Sättigung des Lagerspalts, sondern eine kontinuierliche Zirkulation von Fördermittel im Lagerspalt bereitgestellt werden. Dadurch werden eine gleichmäßigere Druckverteilung des Fördermittels im Lagerspalt sowie ein Abtransport von Partikeln durch Abrieb der Lagerflächen zugunsten einer besseren Schmierung bzw. geringeren Reibung erzielt.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann dem wenigstens einen Schmierungskanal wenigstens ein Filter zugeordnet sein.
Insofern durch die Gestaltung der Strömungswege eine Zirkulationsrichtung vorgesehen ist, bei der das Fördermedium zunächst durch einen Schmierungskanal und anschließend durch den Lagerspalt strömt, verhindert ein Filter in jedem Schmierungskanal oder ein Filter für alle Schmierungskanäle, dass partikelförmige Verunreinigungen in den Lagerspalt oder zu der Wellendichtung gelangen. Durch die Beschaffenheit und Dicke des Filters kann ein geeigneter Druckabfall eingestellt werden, der im Vergleich zur Pumpenkammer in einem druckverminderten Bereich resultiert, der die Wellendichtung entlastet und dennoch eine ausreichende Zirkulation durch den Lagerspalt sicherstellt.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann der Stator des Elektromotors in axialer Überschneidung mit dem wenigstens einen Schmierungskanal angeordnet sein.
Durch eine Anordnung eines oder insbesondere mehrerer radial verteilter Schmierungskanäle benachbart zum Stator des Elektromotors, wird im Betrieb eine Verlustleistung der Feldspulen des Stators durch einen Wärmeübergang im Pumpengehäuse auf das in den Schmierungskanälen zirkulierende Fördermittel übertragen und zum Förderstrom in der Pumpenkammer abgeführt. Diese vorteilhafte Wirkung ist auch noch bei geringen Temperaturdifferenzen zwischen einer hohen Kühlmitteltemperatur und einer stets noch höheren Temperatur der Spulenwicklungen nutzbar.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die Zeichnung in Fig. 1 beschrieben.
Wie der axialen Schnittansicht Fig. 1 zu entnehmen ist, umfasst ein Pumpengehäuse 1 auf einer links dargestellten Seite einen Ansaugstutzen 16 und einen Druckstutzen 17, die in eine Pumpenkammer 10 münden. Der Ansaugstutzen 16 dient als Pumpeneinlass, der in Form eines separaten Pumpendeckels 11 auf ein offenes axiales Ende des Pumpengehäuses 10 aufgesetzt ist und auf eine Stirnseite eines Pumpenlaufrads 2 zu führt, das auf einer Welle 4 fixiert ist. Der Umfang der Pumpenkammer 10 ist von einem Spiralgehäuse umgeben, das tangential in einen Druckstutzen 17 überleitet, der einen Pumpenauslass bildet.
Das Pumpenlaufrad 2 ist ein bekanntes Radialpumpenflügelrad mit einer an den Ansaugstutzen angrenzenden zentralen Öffnung. Der Förderstrom, der das Pumpenlaufrad 2 durch den Ansaugstutzen 16 anströmt, wird durch die innenliegende Flügel radial nach außen in das Spiralgehäuse der Pumpenkammer 10 beschleunigt und ausgeleitet.
Auf einer rechts dargestellten Seite umfasst das Pumpengehäuse 1 einen als Motorkammer 13 bezeichneten Hohlraum, der durch eine Abtrennung 12 des Pumpengehäuses 1 von der Pumpenkammer 10 abgetrennt ist, und in dem ein bürstenloser Elektromotor 3 vom Außenläufertyp aufgenommen ist. Ein Stator 31 mit Feldspulen des Elektromotors 3 ist um einen zylindrischen Abschnitt der Abtrennung 12 des Pumpengehäuses 1 herum in der Motorkammer 13 fixiert. Ein Rotor 32 mit permanentmagnetischen Rotorpolen ist um den Stator 31 drehbar auf der Welle 4 fixiert.
Ein axial offenes Ende der Motorkammer 13 ist durch einen Motordeckel des Pumpengehäuses 1 abgeschlossen, in dem eine Steuereinheit bzw. ECU der Pumpe einschließlich einer Leistungselektronik des Elektromotors 3 offen zur Motorkammer 13 eingebettet ist. Zwischen der Leistungselektronik und dem Stator 31 ist an einer Unterseite des Pumpengehäuses 1 eine Kabeldurchführung angeordnet, welche die Zuleitungen zu den Feldspulen am Rotor 32 vorbei führt.
Der Elektromotor 3 ist ein Trockenläufertyp, dessen Feldspulen ungekapselt bzw. offen am Luftspalt zum Rotor 32 zur Motorkammer 13 freiliegen. Der Rotor 32 weist eine für einen Außenläufer typische Glockenform auf, die auf dem rechts dargestellten freien Ende der Welle 4 sitzt und die permanentmagnetischen Rotorpole in dem axialen Bereich des Stators 31 trägt. Für einen Rotorkörper untypisch, enthält der Rotor 32 jedoch vorzugsweise keine Durchbrüche in einem radial erstreckenden Abschnitt, wie es herkömmlicher Weise zur Verringerung der beschleunigten Masse an rotierenden Tragkörpern üblich ist. Somit bildet der glockenförmige Rotor 32 vorzugsweise eine geschlossene Innenseite aus, die nur auf der linken Seite zur Aufnahme des Stators 31 geöffnet ist.
Die Welle 4, die sich zwischen der Pumpenkammer 10 und der Motorkammer 13 erstreckt, ist durch ein radiales Gleitlager 41 in dem zylindrischen Abschnitt der Abgrenzung 12 des Pumpengehäuses 1 radial gelagert. Die Gleitflächen am Wellenumfang und am Lagersitz des Gleitlagers 41 werden durch das von der Zusatzwasserpumpe geförderte Kühlmittel geschmiert, das in den Lagerspalt zwischen den Gleitflächen eindringt, wie später beschrieben wird.
Zudem ist die Welle 4 an dem linken freien Ende axial gelagert. Das axiale Gleitlager 42 kommt durch eine Gleitflächenpaarung zwischen der Stirnseite der Welle 4 und einer Anlauffläche zustande, die durch einen Vorsprung bzw. eine Strebe im Ansaugstutzen 16 vor dem Pumpenlaufrad 2 entsprechend positioniert am Pumpendeckel 11 bereitgestellt ist. Im Betrieb schiebt das Pumpenlaufrad 2 die Welle 4 durch eine Saugwirkung in Richtung des Ansaugstutzens 16 gegen die Anlauffläche, so dass eine axiale Lastaufnahme der Wellenlagerung in dieser einen Richtung ausreicht. Da ein Lagerspalt zwischen den Gleitflächen von dem Förderstrom umgeben ist, wird auch das axiale Gleitlager 42 mit Kühlmittel geschmiert, zumindest in Form einer anfänglichen und unter Vibrationen oder Turbulenzen erneuten Benetzung der Gleitflächen durch das Kühlmittel.
Zwischen dem radialen Gleitlager 41 und der Motorkammer 13 ist eine Wellendichtung 5 angeordnet, die ein offenes Ende des zylindrischen Abschnitts der Abtrennung 12 des Pumpengehäuses 1 zur Welle 4 abdichtet. Die Wellendichtung 5 ist eine doppellippige Dichtung, die in den zylindrischen Abschnitt der Abtrennung 12 eingepresst ist, und zwei hintereinander liegende, in Richtung zum radialen Gleitlager 41 gerichtete Dichtlippen (nicht dargestellt) zur einseitigen dynamischen Abdichtung auf dem Wellenumfang aufweist.
In der Wand des zylindrischen Abschnitts der Abtrennung 12 sind ferner Schmierungskanäle 14 in das Pumpengehäuse 1 eingebracht, die einerseits auf einer Rückseite des Pumpenlaufrads 2 in die Pumpenkammer 10 münden und andererseits zu einem ringförmigen Hohlraum führen, der die Welle 4 zwischen dem hinteren Ende des radialen Gleitlagers 41 und der Wellendichtung 5 umgibt. Im Betrieb strömt Kühlmittel aus der Pumpenkammer 10 durch die Schmierungskanäle 14 zur Welle 4 und dringt, durch die Wellendichtung 5 abgegrenzt, in den Lagerspalt zwischen dem Wellenumfang und dem Lagersitz des radialen Gleitlagers 41 ein, so dass es in der entgegengesetzter Richtung zurück strömt. Die axiale Zirkulation des Kühlmittels in Kombination mit der Rotationsbewegung zwischen den Gleitflächen stellt eine gleichmäßige Verteilung und Schmierung des Lagerspalts mit dem Kühlmittel sicher. Das Kühlmittel enthält ein Frostschutzadditiv mit reibungsvermindernder Eigenschaft, wie z.B. einem Glykol, Silikat oder dergleichen. Gleichzeitig werden Partikel aus einem Abrieb der Gleitflächenpaarung zur Pumpenkammer und in den Förderstrom abtransportiert.
Andererseits sind im Bereich der Mündungen der Schmierungskanäle 14 zu der Pumpenkammer 10 Filter 15 angeordnet, die partikelförmige Verunreinigungen, wie metallischen Abrieb oder dergleichen daran hindern, aus dem Förderstrom in den Lagerspalt des radialen Gleitlagers 41 oder in den Dichtungsspalt der Wellendichtung 5 gespült zu werden. Wenn das Kühlmittel durch die Schmierungskanäle 14 und das radiale Gleitlager 41 zirkuliert, wirkt in dem ringförmigen Hohlraum zwischen dem radialen Gleitlager 41 und der Wellendichtung 5 aufgrund eines Strömungswiderstands der Filter 15 ein verminderter Druck im Vergleich zu der Pumpenkammer 10. Der verminderte Druck, der neben der Beschaffenheit des Filters auch durch die Anzahl und den Strömungsquerschnitt der Schmierungskanäle 14 eingestellt wird, schwächt zwar die Zirkulation durch das radiale Gleitlager, er entlastet jedoch auch die Wellendichtung 5, woraus eine längere Lebensdauer der Dichtungslippen durch geringere Reibung und eine kleinere Leckage resultieren.
Die kleine unvermeidbare Leckage, die aus der Zirkulation der Schmierungskanäle 14 die Wellendichtung 5 im Laufe der Zeit tropfenweise passiert, gelangt jedoch nicht direkt mit den Feldspulen oder der Motorelektronik in der Motorkammer 13 in Kontakt. Im Betrieb gelangen die Leckagetropfen hinter der Wellendichtung 5 zur Innenfläche des rotierenden Rotors 32 und werden durch die Fliehkraft radial nach außen getragen. Durch Verwirbelungen an den Rotorpolen bzw. Permanentmagneten und durch die Betriebstemperatur, die aus der Verlustleistung an den Feldspulen resultiert, verdampfen die Leckagetropfen im Luftspalt zwischen dem Stator 31 und dem Rotor 32, ohne auf dem radial innenliegenden Stator 32 eine Benetzung in flüssiger Phase, d.h. eine korrosive Einwirkung ausüben zu können.
Durch die geschlossene Glockenform des Rotors 32 können die Leckagetropfen nicht in axialer Richtung in den Motorraum 13 und zur der Elektronik gelangen, sondern werden an der Innenfläche des Rotors 32 aufgefangen und zur Verdampfung dem Luftspalt zugeführt. Um ein Volumen des Luftspalts gering zu halten, ist dieser zu den Umfängen des zylindrischen Abschnitts der Abgrenzung 12 und des Stators 32 komplementär stufenförmig ausgebildet.
Der Übergang von Leckagetropfen von der flüssigen in die gasförmige Phase geht mit einer Volumenzunahme einher, die im Falle eines abgeschlossenen Volumens der Motorkammer 13 zu einer Druckerhöhung führen würde, unabhängig von einer Druckschwankung die aufgrund von Temperaturschwankungen zwischen Betrieb und Stillstand der Pumpe entstünde.
Allerdings ist zwischen der Motorkammer 13 und der umgebenden Atmosphäre eine Membran 6 vorgesehen, die einen Ausgleich von Druckschwankungen aus der Motorkammer 13 zur Atmosphäre ermöglicht. Die Membran 6 ist in Bezug auf eine Wasserdurchlässigkeit semipermeable, d.h. sie lässt Wasser in flüssiger Phase nicht passieren, wohingegen eine mit Feuchtigkeit beladene Luft bis zu einer Grenze in Bezug auf eine Tröpfchengröße bzw. einer an der Membranoberfläche agglomerierenden Tröpfchendichte hindurch diffundieren kann. Somit kann bei einer Volumenausdehnung durch Verdampfung in der Motorkammer 13, eine mit Feuchtigkeit beladene warme Luft die Membran 6 passieren, sodass verdampfte Leckagetropfen effektiv in die Atmosphäre ausgetragen werden. In entgegengesetzter Richtung schützt die Membran 6 wiederum vor einem Eindringen von Spritzwasser oder dergleichen im Fahrbetrieb des Fahrzeugs.
Die Membran 6 verschließt eine Öffnung des Pumpengehäuses 1, die in einem Bereich eines Austritts des Luftspalts zwischen dem Stator 31 und dem Rotor 32 oberhalb angeordnet ist. An der Oberseite des Pumpengehäuses 1 ist ferner ein Stecker zur externen Leistungsversorgung angeordnet.
Neben der dargestellten und beschriebenen Ausführungsform kann die Erfindung auch durch alternative Ausgestaltungen mit zusätzlichen Merkmalen oder unter Verzicht von beschriebenen Merkmalen umgesetzt werden. Wie den Erläuterungen zur Lösung der Aufgabenstellung entnehmbar ist, kann die Pumpe ebenso ohne Schmierungskanäle 14 und Filter 15, oder mit einer anderen axialen Lagerung als dem Gleitlager 42 im Bereich des Ansaugstutzens 16, oder mit einer anderen Wellendichtung 5 als derjenigen mit zwei Dichtlippen realisiert werden. In einem Fall, in dem keine Schmierungskanäle 14 vorgesehen sind, kann zumindest noch eine über den Lagerspalt einstellbare statische Schmierung des Lagerspalts des radialen Gleitlagers 41 durch den Betriebsdruck aus der Pumpenkammer 10 genutzt werden, wobei hinter dem radialen Gleitlager 41 wiederum ein verminderter Druck im Vergleich zur Pumpenkammer 10 auf die Wellendichtung 5 wirkt.

Claims

Elektrische Kühlmittelpumpe zum Fördern von Kühlmittel in einem Fahrzeug, aufweisend:
ein Pumpengehäuse (1) mit einer Pumpenkammer (10), in der ein Pumpenlaufrad (2) drehbar aufgenommen ist, einem Einlass (16) und einem Auslass (17), die mit der Pumpenkammer (10) verbunden sind;

eine Welle (4), die am Pumpengehäuse (1) drehbar gelagert ist, und auf der das Pumpenlaufrad (2) fixiert ist; wobei

eine radiale Lagerung der Welle (4) mittels eines kühlmittelgeschmierten radialen Gleitlagers (41) bereitgestellt ist, das zwischen dem Pumpenlaufrad (2) und dem Rotor (32) angeordnet ist;

ein trockenlaufender Elektromotor (3) mit einem radial inneren Stator (31) und einem radial äußeren Rotor (32) in einer von der Pumpenkammer (10) abgetrennten Motorkammer (13) aufgenommen ist;

eine Wellendichtung (5) zwischen dem radialen Gleitlager (41) und der Motorkammer (13) angeordnet ist; und

der Rotor (32) in einer Glockenform ausgebildet ist, deren Innenfläche zur Wellendichtung (5) zugewandt sowie mit dieser axial überschneidend auf der Welle (4) fixiert ist;

dadurch gekennzeichnet, dass

die Motorkammer (13) eine Öffnung zur Atmosphäre aufweist, die durch eine flüssigkeitsdichte und dampfdurchlässige Druckausgleichsmembran (6) verschlossen ist, und

eine axiale Lagerung der Welle (4) durch ein axiales Gleitlager bereitgestellt ist, das in einer Strömungsrichtung des Kühlmittels vor dem Pumpenlaufrad (2) angeordnet ist.
Elektrische Kühlmittelpumpe nach Anspruch 1, wobei
das axiale Gleitlager (42) durch ein freies Ende der Welle (4) und eine Anlauffläche an dem Pumpengehäuse (1), vorzugsweise einem Pumpendeckel (11) gebildet wird.
Elektrische Kühlmittelpumpe nach Anspruch 1 oder 2, wobei
die Wellendichtung (5) wenigstens zwei Dichtlippen zur dynamischen Abdichtung auf dem Wellenumfang aufweist, die zumindest zu einer axialen Seite dichtungswirksam ausgerichtet sind.
Elektrische Kühlmittelpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei
das Pumpengehäuse (1) wenigstens einen Schmierungskanal (14) aufweist, der die Pumpenkammer (10) mit einem hinteren, der Pumpenkammer (10) gegenüberliegendem Ende des radialen Gleitlagers (41) verbindet.
Elektrische Kühlmittelpumpe nach Anspruch 4, wobei
dem wenigstens einen Schmierungskanal (14) wenigstens ein Filter (15) zugeordnet ist.
Elektrische Kühlmittelpumpe nach einem der Ansprüche 4 oder 5, wobei der Stator (31) des Elektromotors (3) in axialer Überschneidung mit dem wenigstens einen Schmierungskanal (14) angeordnet ist.
Verwendung einer elektrischen Kühlmittelpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 6 als Zusatzwasserpumpe in einem kühlmittelführenden System in einem Fahrzeug mit einer Verbrennungsmaschine und einer Hauptwasserpumpe.