WO2021170327A1

WO2021170327A1 - Thermisch optimierte kühlmittelpumpe

Info

Publication number: WO2021170327A1
Application number: PCT/EP2021/051676
Authority: WO
Inventors: Paul Michael Ludwig; Franz Pawellek
Original assignee: Nidec Gpm Gmbh
Priority date: 2020-02-28
Filing date: 2021-01-26
Publication date: 2021-09-02
Also published as: DE102020105337A1; DE102020105337B4

Abstract

Es wird eine thermisch optimierte Kühlmittelpumpe vorgeschlagen. Die elektrische Kühlmittelpumpe zeichnet sich dadurch aus, dass ein Antriebsgehäuse (2) einen zentralen Lageraufirahmeabschnitt (25) aufiveist, in dem ein Wellenlager (52) aufgenommen ist; und ferner eine zu dem Antriebsgehäuse (2) separate Wärmeableitwand (6) bereitgestellt ist, die einen Elektromotor (3) von einem Pumpengehäuse (1) abgrerut, und in einem thermischen Kontakt mit einer Leistungselektronik (30) steht. Die Wärmeableitwand (6) liegt zu einer offenen Querschnittsfläche einer Pumpenkammer (10) und einer offenen Querschnittsfläche eines Spiralgehäuseabschnitts (14) frei. Insbesondere weist die Wärmeableitwand (6) eine geringere flächenbezogene Wärmespeicherkapazität als der Lageraufnahmeabschnitt (25), der Spiralgehäuseabschnitt (14) und die Flanschabschnitte (12, 21) auf.

Description

Beschreibung

Thermisch optimierte Kühlmittelpumpe

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Kühlmittelpumpe mit einer optimierten Konstruktion in Bezug auf eine thermisch kritische Leistungselektronik eines Elektromotors.

Aufgrund der flexiblen Steuerungsmöglichkeiten werden zum Thermomanagement von Verbrennungsmaschinen im Fahrzeugbau bevorzugt elektrische Kühlmittelpumpen eingesetzt. Die Kühlmittelpumpe ist im Motorraum eines Fahrzeugs zahlreichen Umgebungseinflüssen, wie Temperaturschwankungen, Feuchtigkeit und Verschmutzungen ausgesetzt. Daher werden Kühlmittelpumpen einschließlich des elektrischen Antriebs in einer nach außen abgeschlossenen bzw. gekapselten Bauform ausgestaltet, die gegen äußere Einflüsse abgedichtet ist.

Bei der Verwendung eines Elektromotors als Pumpenmotor ist dieser in der Regel mit einer Leistungselektronik gemeinsam gekapselt, um selbige vor äußeren korrosiven Einflüssen und Verschmutzungen im Betrieb zu schützen. Durch die gemeinsame Kapselung des Elektromotors und der Leistungselektronik kann die Abwärme des Elektromotors, die mit dessen Verlustleistung einhergeht, jedoch nicht wie in anderen Anwendungen durch einen Luftstrom abgeführt werden. Somit fließt ein Teil der Abwärme des Elektromotors unmittelbar als Wärmeeintrag in die elektronischen Bauteile der Leistungselektronik der Kühlmittelpumpe ein.

Bei einem geeigneten elektrischen Pumpenmotor beträgt die Verlustleistung bis zu etwa 20% der elektrischen Leistung, so dass bei einem Pumpenmotor mit 500 W, wie er beispielsweise in einer Kühlmittelpumpe eines Kühlmittelkreislaufs in einem PKW eingesetzt wird. Im Volllastbetrieb kann je nach Konstruktion des Elektromotors ein Wärmeeintrag von bis zu 100 W entstehen, der von der Kühlmittelpumpe zusätzlich über die Abwärme des Kühlmittels hinaus aufgenommen wird. Die Feldspulen des Stators können so Temperaturen bis zu 200 °C erreichen.

Im Stand der Technik sind Kühlmittelpumpen bekannt, die zur Einhaltung der zulässigen Betriebstemperatur der elektronischen Bauteile einen Wärmeaustausch zu dem Kühlmittel des Verbrennungsmotors nutzen. Das Kühlmittel weist einen vielfach höheren Wärmeleitkoeffizienten von etwa 0,441 W/mK gegenüber Luft mit 0,0262W/mK auf. Zudem hält es im Betrieb des Kühlmittelkreislaufs einen definierten Temperaturbereich ein, wohingegen die Temperatur der Luft in Abhängigkeit von der Umgebung, insbesondere des Verbrennungsmotors, und ggf. einer Bewegungsgeschwindigkeit stark variiert.

Es sind Bemühungen in unterschiedlichen konstruktiven Ausgestaltungen unternommen worden, um die Leistungselektronik in einen Wärmeaustausch mit dem Kühlmittel einzubinden, das durch die Kühlmittelpumpe gefördert wird. Das Kühlmittel nimmt im Fährbetrieb eine Solltemperatur von etwa 110 °C ein, und kann unter besonderen Belastungszuständen kurzfristig auf 120 °C oder bis 130 °C ansteigen. Bei einer Temperatur von wenigen zehn Grad darüber entstehen bereits Schäden in elektronischen Bauteilen. Solange ein Temperaturverlauf der Leistungselektronik eng an den Temperaturverlauf des Kühlmittels gekoppelt bleibt, kann eine Überhitzung der Leistungselektronik verhindert werden. Hierzu muss jedoch ein effizienter Wärmeübergang geschaffen werden, sodass in Belastungszuständen nur eine geringe Temperaturdifferenz der Leistungselektronik zu dem Kühlmittel entsteht.

Ein Beispiel aus dem Stand der Technik, das die Problemstellung eines Wärmeaustauschs zwischen einer Leistungselektronik einer Kühlmittelpumpe und dem geforderten Kühlmittelstrom aufgreift, ist in der DE 10 2015 114 783 A1 beschrieben. Die Patentanmeldung derselben Anmelderin beschreibt eine elektrische Kühlmittelpumpe, bei der sich eine ECU auf einer Seite des Pumpengehäuses befindet, die dem elektrischen Motor gegenüberliegt, und innerhalb einer Abdeckung in der Form eines Donuts bzw. ringförmig um den zentralen Einlass herum angeordnet ist. Die vordere Seite der Pumpenkammer, die zur ECU weist, ist durch einen Pumpendeckel aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit abgeschlossen, der einen verbesserten Wärmeaustausch zwischen dem Kühlmittel in der Pumpenkammer und der ECU ermöglichen soll. Es ist vorgesehen, den Pumpendeckel als massives gefrästes Aluminiumteil herzustellen, das eine bessere Wärmeleitfähigkeit als eine Gusslegierung für ein Spiralgehäuse aufweist.

Die Patentanmeldung DE 10 2018 104 015 A1 derselben Anmelderin beschreibt eine Kühlmittelpumpe mit einer optimierten Lageranordnung und einem verbesserten Wärmehaushalt. Ein kühlmittelgeschmiertes Gleitlager ist in einem Trägerflansch aufgenommen. Ein zylindrischer Teil des Trägerflansches erstreckt sich zu einem Elektromotor und ein flanschförmiger Trennabschnitt erstreckt sich radial zu einer Umfangswand eines Motorgehäuses. In einer Motorkammer ist eine ringförmige Steuereinheit angeordnet, wobei eine Wärmeableitung für die Steuereinheit über den Trägerflansch vorgesehen ist. Um die Kräfte des Wellenlagers aufnehmen zu können, ist es erforderlich, den Trägerflansch entsprechend massiv zu dimensionieren.

Die japanische Patentanmeldung JP 2017 110 593 A beschreibt eine elektrische Umwälzpumpe mit einer Motorkammer und einer Pumpenkammer, die durch eine metallische Trennwand des Gehäuses voneinander getrennt sind. Im Bereich des Spiralgehäuses ist auf der Seite der Motorkammer eine Elektronikplatine an der Trennwand angeordnet, die mittels eines Wärmeüberträgers Abwärme hin zu dem Fördermedium übertragen kann.

Die Veröffentlichungsschrift DE 11 2013 003 549 T5 beschreibt eine elektrische Spaltrohrwasserpumpe mit einem Nassläufermotor. Eine so bezeichnete Nassbüchse bzw. ein Spalttopf trennt einen fluidführenden Bereich, in dem der Rotor angeordnet ist, von dem Stator ab. Ein so bezeichneter elektronischer Donut, das heißt eine Steuerungselektronik auf einer ringförmigen Leiterplatte, ist direkt neben dem Stator angeordnet und ist folglich dessen Abwärme ausgesetzt. Die ringförmige Leiterplatte ist jedoch um das Pumpenlaufrad herum angeordnet und wird durch die Nassbüchse bzw. das Spaltrohr gekühlt. Das Spaltrohr verläuft durch den Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator. Derartige Spaltrohre werden im Allgemeinen möglichst dünn ausgestaltet, um eine Herabsetzung der elektromotorischen Effizienz am Luftspalt so gering wie möglich zu halten. Denn der Einsatz des Spaltrohrs bedingt eine Vergrößerung des Luftspalts und das im Luftspalt befindliche Material stellt eine Beeinträchtigung des magnetischen Flusses zwischen den Feldspulen des Stators und dem Rotor dar. Eine weitere Herabsetzung der Effizienz entsteht durch Planschverluste des Rotors, der sich im Fluid bewegt. Neben der schlechteren Effizienz weisen Nassläufermotoren den Kostennachteil auf, dass der Rotor und der Stator auf die Geometrie des Spalttopfs, d.h. auf die Geometrie eines Pumpenmodells individuell zugeschnitten gefertigt werden müssen, und nicht als standardisierte Einheit wie ein trockenlaufender Elektromotor günstig bezogen werden können.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen alternativen Aufbau für eine elektrische Kühlmittelpumpe mit einem trockenlaufenden Elektromotor zu schaffen, der eine verbesserte Temperaturführung einer Leistungselektronik bereitstellt.

Die Aufgabe wird durch eine elektrische Kühlmittelpumpe mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 1 gelöst.

Die elektrische Kühlmittelpumpe zeichnet sich dadurch aus, dass ein Antriebsgehäuse einen zentralen Lageraufhahmeabschnitt aufweist, in dem ein Wellenlager aufgenommen ist; und ferner eine zu dem Antriebsgehäuse separate Wärmeableitwand bereitgestellt ist, die den Elektromotor von dem Pumpengehäuse abgrenzt, und in einem thermischen Kontakt mit der Leistungselektronik steht. Die Wärmeableitwand liegt zu einer offenen Querschnittsfläche der Pumpenkammer und einer offenen Querschnittsfläche des Spiralgehäuseabschnitts frei. Insbesondere weist die Wärmeableitwand eine geringere flächenbezogene Wärmespeicherkapazität als der Lageraufnahmeabschnitt, der Spiralgehäuseabschnitt und die Flanschabschnitte auf.

Die Erfindung sieht erstmals eine separate Wand zur Abgrenzung eines flüssigkeitsführenden Bereichs vor, durch welche eine Welle eines trockenlaufenden Antriebs hindurchtritt, und die weder als integraler Bestandteil des Antriebsgehäuses oder des Pumpengehäuses ausgebildet ist, noch eine tragende Funktion in der Gehäusekonstruktion erfüllt. Dabei sieht die Erfindung ferner erstmals in einem Querschnitt des Pumpenlaufrads eine separate Wand zur Abgrenzung der Pumpenkammer vor, die eine geringere flächenbezogene Wärmespeicherkapazität als angrenzende Gehäuseabschnitte aufweist.

In der allgemeinsten Form der Erfindung folgt der Aufbau des Pumpengehäuses nicht einem üblichen Konstruktionsansatz, der eine Integration von Elementen zur Erzielung einer geringeren Anzahl von Bauteilen und Abdichtungen vorsieht. Stattdessen folgt der Aufbau des Pumpengehäuses einem Ansatz, einzelnen Elementen oder Abschnitten des Gehäuses eine Funktion zuzuweisen, und diese aus einer herkömmlichen Konstruktion ggf. herausgelöst, mit einer auf die zugewiesene Funktion optimierten Beschaffenheit auszugestalten.

Ferner besteht im Hinblick auf eine thermische Optimierung einer Gehäusekonstruktion für elektrische Antriebskomponenten die allgemeine Erkenntnis, dass eine verbesserte Wärmeableitung aus dem elektrischen Antrieb durch eine möglichst gute spezifische Wärmeleitfähigkeit (λ = m/K) eines Gehäusematerials erzielbar ist. Diese Eigenschaft ist beispielsweise anhand von Kühlkörpern aus Aluminium bekannt. Nach dieser allgemeinen Erkenntnis genügt es, tragende Elemente massiv, d.h. insbesondere ohne isolierende Hohlräume auszubilden und aus Aluminium oder einer Aluminiumdruckgusslegierung zu fertigen.

In dem Fall eines Förderstroms, der in der Regel einen sehr großen Massestrom mit einer hohen Wärmespeicherungszahl s [kJ/m³ K] zur Wärmeabfuhr sowie eine Konvektion zur Wärmeaufnahme an einer Grenzfläche bereitstellt, kommen jedoch weitere Faktoren zum Tragen.

Der Erfindung liegt abweichend hierzu die Erkenntnis zugrunde, dass eine verbesserte dynamische Wärmeableitung bei Betriebszuständen von zunehmender elektrischer Leistung insbesondere durch einen geringeren thermischen Widerstand in einer Wärmeleitungsstrecke zwischen der Wärmequelle und dem Förderstrom in einem Gehäuse erzielbar ist. Ein solcher thermischer Widerstand hängt nicht nur von einer spezifischen Wärmeleitfähigkeit des Materials ab, sondern auch von einer flächenbezogenen Wärmespeicherkapazität (χ = c/A) des Gehäuses, die sich auf eine spezifische Wärmespeicherkapazität c [kJ/kg K] der Gehäusemasse innerhalb einer Wärmeleitungsstrecke bezogen auf eine Querschnittsfläche A eines Wärmestroms bezieht. Solange eine ausreichende Wärmeaufhahme und Wärmeabfuhr in Form des Massestroms auf einer Seite bereitgestellt ist, stellen Wärmespeicherkapazitäten des Gehäuses innerhalb der Wärmeleitungsstrecke eine Trägheit als Komponente des thermischen Widerstands, d.h. eine verzögernde Zwischenspeicherung in einem dynamischen Wärmestrom dar.

Gehäuse werden in der Regel als Gussteile hergestellt, deren komplexe Formgebung verschiedene Elemente und Punkte zur Abgrenzung, Aufnahme, Befestigung usw. in einem integralen Körper verbindet. In Bezug auf Pumpen können hierdurch Bauteile und Dichtungsstellen eingespart werden. Gehäusewände, die zur Abgrenzung eines flüssigkeitsführenden Bereichs einer Pumpe dienen und einen Durchbruch für eine Welle aufweisen, sind aufgrund der gießtechnischen Fertigung stets massiv ausgeführt und weisen funktionale Formabschnitte zur Befestigung oder Aufnahme einer Dichtung oder eines Lagers oder einer sonstigen tragenden Funktion auf. Ferner bestehen diese Gehäusewände herkömmlicherweise aus demselben Material wie umliegende Gehäusewände mit einer anderen Funktion.

Erfindungsgemäß ist das Gehäuse in separate Abschnitte aufgeteilt. Das Antriebsgehäuse übernimmt die tragenden Funktionen zur Aufnahme des Elektromotors und zur Fixierung der Welle. Die separat ausgebildete Wärmeableitwand übernimmt die Funktion einer Abgrenzung zwischen dem flüssigkeitsführenden Bereich im Pumpengehäuse und dem Antriebsgehäuse. Dadurch liegt zwar ein Bauteil vor, das eine zusätzliche Abdichtung um einen W ellendurchbruch herum erfordert. Allerdings ist es dadurch möglich, die Wärmeableitwand einer gießtechnischen Fertigung zu entziehen und mit eigenen Eigenschaften auszustatten. Erfindungsgemäß ist eine abweichende Beschaffenheit der Wärmeableitwand im Unterschied zu den übrigen angrenzenden Gehäuseabschnitten dahingehend ausgelegt, dass sie eine geringere flächenspezifische Wärmspeicherkapazität (χ = c/A) aufweist. Die herabgesetzte Wärmespeicherkapazität gewährleistet einer Wärmequelle, die mit der Wärmeableitwand in einem thermischen Kontakt steht, eine schnellere Wärmeableitung.

Die Erfindung sieht ferner vor, als Wärmequelle seitens des elektrischen Antriebs die Leistungselektronik für einen bürstenlosen Elektromotor, die F eldeffekttransistoren und Kondensatoren mit einer hohen Leistungsaufnahme umfasst, mit der Wärmeableitwand in einen thermischen Kontakt zu setzen. Somit wird eine schnellere Wärmeableitung von dynamischen Wärmeströmen aus Verlustleistung der Leistungselektronik bereitgestellt, sodass bei ansteigenden Belastungszuständen eine Abwärme weniger seitens des Gehäuses zwischengespeichert, sondern vielmehr eine möglichst unmittelbare Wärmeaufhahme und Wärmeabfuhr durch den Förderstrom erfolgen kann.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann die Wärmeableitwand eine geringere Wandstärke als der Lageraufnahmeabschnitt, der Spiralgehäuseabschnitt und die Flanschabschnitte aufweisen. Eine geringere Wandstärke ist der einfachste Weg, um eine Länge der Wärmeableitungsstrecke zu verkürzen, d.h. eine flächenbezogene Masse und somit auch eine flächenbezogene Wärmespeicherkapazität der Wärmeableitwand innerhalb einer Wärmeleitungsstrecke zu verringern.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann die Wärmeableitwand als ein Metallblech mit einer Wandstärke von 0,2 bis 1,5 mm ausgebildet sein. Nach den herkömmlichen Erwartungen an die Konstruktion einer Gehäusewand zur Abgrenzung einer Druckseite einer Pumpe über einen gesamten Querschnitts eines Pumpengehäuses wäre ein derart dünnes Metallblech ungeeignet, insbesondere in dem vorliegenden Fall einer ebenen Erstreckung ohne versteifende Strukturen. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Antriebsgehäuses, an dem ein Flanschabschnitt und ein darin zentral angeordneter Lageraufnahmeabschnitt mit tragender Funktion ausgebildet sind, ermöglicht erst konstruktiv den Einsatz eines derart dünn ausgeführten Metallblechs. Die dünne Ausführung der Wandstärke erweitert eine geeignete Materialauswahl auch auf Metalle, die eine geringere spezifische Wärmeleitfähigkeit als Aluminium aufweisen. So kann beispielsweise anstelle eines Aluminiumbleches auch ein rostfreies oder gegen Korrosion geschütztes Stahlblech eingesetzt werden, welches aufgrund der geringen Wandstärke noch immer eine geringere flächenbezogene Wärmespeicherkapazität aufweist als eine vergleichsweise massive Gehäusewand aus einer Aluminiumgusslegierung oder als ein gefrästes Aluminiumteil.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann sich die Wärmcablcitwand in einem axialen Bereich zwischen dem Flanschabschnitt des Pumpengehäuses und dem Flanschabschnitt des Antriebsgehäuses im Wesentlichen eben erstrecken. Eine ebene Erstreckung ohne versteifende Strukturen wird durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Antriebsgehäuses, an dem ein Flanschabschnitt und ein darin zentral angeordneter Lageraufhahmeabschnitt mit tragender Funktion ausgebildet sind, konstruktiv ermöglicht. Eine ebene Wärmeableitwand enthält keine Strömungshindemisse seitens des Spiralgehäuses sowie der rückwärtigen Pumpenkammer hinter dem Pumpenlauffad.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann die Wärmeableitwand in einer Flanschebene zwischen dem Flanschabschnitt des Pumpengehäuses und dem Flanschabschnitt des Antriebsgehäuses fixiert sein. Durch diese Ausgestaltung wird eine außenliegende Fixierung und Abdichtung der Wärmeableitwand durch Nutzung bestehender Befestigungsstrukturen konstruktiv vereinfacht.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann die Wärmeableitwand mit einer Fläche einer Rückseite einer Leiterplatte der Leistungselektronik in einem direkten thermischen Kontakt stehen. Diese Ausgestaltung stellt eine flächenoptimierte thermische Anbindung der Leistungselektronik dar. Hierzu kann beispielsweise Wärmleitpaste zur Unterstützung eines vollflächigen Kontakts bei der Montage aufgebracht werden.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann an einer Rückseite einer Leiterplatte wenigstens eine metallisierte Fläche angeordnet sein, durch die ein thermischer Kontakt zwischen der Wärmeableitwand und der Rückseite der Leiterplatte bereitgestellt ist. Diese Ausgestaltung stellt seitens der Leistungselektronik ein Mittel mit optimierter Wärmeleitfähigkeit zur thermischen Anbindung der Leiterplatte dar. Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann in einer Leiterplatte der

Leistungselektronik wenigstens eine metallisierte Bohrung angeordnet sein, die sich von einer Rückseite durch die Leiterplatte zu einer Bestückungsseite erstreckt, wodurch über die wenigstens eine metallisierte Bohrung ein thermischer Kontakt zwischen der Wärmeableitwand und einem elektrischen Bauteil der Lcistungsclcktronik bcrcitgcstcllt ist. Diese Ausgestaltung stellt seitens der Leistungselektronik ein Mittel mit optimierter Wärmeleitfähigkeit dar, durch das eine thermische Anbindung eines Transistors, eines Kondensators, o.ä. auf der Bestückungsseite der Leiterplatte, die der Wärmeableitwand gegenüberliegt, hergestellt wird. Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann in einer Leiterplatte der

Leistungselektronik wenigstens eine Öffnung angeordnet sein, und sich ein metallisches Bauteil von einer Rückseite durch die Öffnung zu einer Bestückungsseite der Leiterplatte erstrecken, wodurch über das metallische Bauteil ein thermischer Kontakt zwischen der Wärmeableitwand und einem elektrischen Bauteil der Leistungselektronik bereitgestellt ist. Diese Ausgestaltung stellt ein Mittel mit optimierter Wärmeleitfähigkeit dar, durch das eine thermische Anbindung eines Transistors, eines Kondensators, o.ä. auf der Bestückungsseite der Leiterplatte, die der Wärmeableitwand gegenüberliegt, hergestellt wird. Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann die Wärmeableitwand ausgeprägte

Abschnitte aufweisen, die mit einer Rückseite einer Leiterplatte der Leistungselektronik in einem thermischen Kontakt stehen. Diese Variante sieht erstmals seitens der Wärmeableitwand Ausgestaltungen derselben vor, die abschnittsweise, z.B. in Bereichen von Transistors, eines Kondensators, o.ä. eine direkte thermische Anbindung der Leiterplatte an die Wärmeableitwand herstellen. Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann die Wärmeableitwand einen ausgeprägten Abschnitt aufweisen und in einer Leiterplatte der Leistungselektronik eine Öffnung angeordnet sein, wobei sich der ausgeprägte Abschnitt von einer Rückseite der Leiterplatte durch die Öffnung zu einer Bestückungsseite der Leiterplatte hindurch erstreckt, wodurch ein direkter thermischer Kontakt zwischen der Wärmeableitwand und einem elektrischen Bauteil der Leistungselektronik bereitgestellt ist. Diese bevorzugte Variante sieht erstmals seitens der Wärmeableitwand eine Ausgestaltung derselben vor, die durch die Leiterplatte hindurch greift, und somit eine direkte thermische Anbindung eines Transistors, eines Kondensators, o.ä. an die Wärmeableitwand hcrstcllt.

Nachfolgend wird eine Ausfuhrungsform der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Aufbau einer elektrischen Kühlmittelpumpe gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 eine perspektivische Draufsicht auf die Wärmeableitwand in einem Montagezustand der elektrischen Kühlmittelpumpe gemäß der Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 3 eine perspektivische Draufsicht auf die Leiterplatte in einem Montagezustand der elektrischen Kühlmittelpumpe gemäß der Ausfuhrungsform der

Erfindung; und Fig. 4 eine perspektivische Draufsicht in das Antriebsgehäuse mit einem montierten Elektromotor der elektrischen Kühlmittelpumpe gemäß der Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch den Aufbau einer elektrischen Kühlmittelpumpe gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Der in Fig. 1 gezeigte Aufbau der elektrischen Kühlmittelpumpe ist im Wesentlichen in eine Pumpenbaugruppe und eine Antriebsbaugruppe aufgeteilt, die in einer Flanschebene verbunden sind. Auf der rechts dargestellten Seite ist ein Pumpengehäuse 1 angeordnet, das als ein Gussformteil gefertigt ist und mehrere Abschnitte integral umfasst. So umfasst das Pumpengehäuse 1 eine Pumpenkammer 10, in der ein Pumpenlaufrad 4 drehbar aufgenommen ist, und einen Spiralgehäuseabschnitt 14, der die Pumpenkammer 10 zu einem radialen Austrittsbereich des Pumpenlaufrads 4 umgibt. Der Spiralgehäuseabschnitt 14 bildet einen Kanal, der einen radial beschleunigten Förderstrom zu einem, in dem dargestellten Querschnitt nicht sichtbaren Auslass führt. Ein Einlass 11 des Pumpengehäuses 1 ist als ein Stutzen ausgebildet, der den Förder ström zentral auf das Pumpcnlaufrad 4 zuführt. Das Pumpengehäuse 1 weist zu einer Rückseite der Pumpenkammer 10 und des Spiralgehäuses 14, d.h. in Strömungsrichtung hinter dem

Pumpenlaufrad 4, eine offene Seite auf, die über einen gesamten Querschnitt eines fluidführenden Bereichs geöffnet ist. Eine geöffnete Querschnittsfläche an der offenen Seite des Pumpengehäuses 1 ist von einem Flanschabschnitt 12 umgeben. Der Flanschabschnitt 12 dient zur gegenseitigen Befestigung der Pumpenbaugruppe und der Antriebsbaugruppe und weist entsprechende Mittel, wie Bohrungen und Gewinde für eine lösbare Schraubverbindung auf.

Auf der links dargestellten Seite ist ein Antriebsgehäuse 2 angeordnet. Das Antriebsgehäuse 2 umfasst eine Gehäusewand 23, die einen Elektromotor 3 umschließt. Hierzu ist in der Gehäusewand 23 eine Aufnahme für einen Stator des Elektromotors 3 ausgebildet. Der Elektromotor 3 ist durch eine offene Rückseite des Antriebsgehäuses 2 axial eingeführt. Die offene Rückseite ist durch einen Motordeckel 7 verschlossen. Der Motordeckel 7 ist aus einem Metallblech hergestellt und ist mittels Umformung eines Bördelrands fixiert, der in einen Hinterschnitt eingreift, der an einer Außenseite der Gehäusewand 23 umlaufend ausgebildet ist. Zwischen dem Motordeckel 7 und einer axialen Endfläche der Gehäusewand 23 ist eine Dichtung 72 angeordnet.

In dem Antriebsgehäuse 2 ist ein zentraler Lageraufnahmeabschnitt 25 bereitgestellt, der über radiale Gehäusestege 22 mit der äußeren Gehäusewand 23 verbunden ist. In dem zentralen Lageraufhahmeabschnitt 25 ist ein Wellenlager 52 eingepresst, das zumindest zur radialen Lagerung einer Welle 5 dient und als Wälzlager, als Gleitlager oder gleichen ausgeführt ist. Das Wellenlager 52 ist mit einer nicht dargestellten Anordnung von Wellendichtungen zwischen dem Lageraufnahmeabschnitt 25 und einem Umfang der Welle 5 flüssigkeitsdicht abgedichtet. Auf einem Abschnitt der Welle 5, der zu dem Pumpengehäuse 1 gerichtet ist, ist das Pumpenlauffad 4 drehfest fixiert. Auf einem Abschnitt der Welle 5, der zu dem Motordeckel 7 gerichtet ist, ist ein Rotor des Elektromotors 3 drehfest fixiert.

Das Antriebsgehäuse 2 weist zu dem Pumpengehäuse 1 hin eine offene Seite auf, deren geöffneter Querschnitt sich um den Lageraufnahmeabschnitt 25 herum im Wesentlichen radial zu der Gehäusewand 23 erstreckt. Außerhalb des geöffneten Querschnitts umfasst das Antriebsgehäuse 2 einen Flanschabschnitt 21. Der Flanschabschnitt 21 dient zur gegenseitigen Befestigung der Pumpenbaugruppe und der Antriebsbaugruppe und weist entsprechende Mittel wie Bohrungen für eine lösbare Schraubverbindung auf. Das Antriebsgehäuse 2 ist als Gussformteil hergestellt, das den Flanschabschnitt 21, die Gehäusewand 23, die radialen Gehäusestege 22 und den Lageraufnahmeabschnitt 25 integral ausgebildet umfasst.

In dem geöffneten Querschnitt der offenen Seite des Antriebsgehäuses 2 ist eine Leistungselektronik 30 mit einer Leiterplatte angeordnet. Die Leistungselektronik 30 dient zur Ansteuerung von Feldspulen des Elektromotors 3 aus einer elektrischen Leistungszufuhr. Der Elektromotor 3 ist ein bürstenloser Gleichstrommotor mit einem außenliegenden Stator und einem innenliegenden, permanenterregten Rotor. Zur Bereitstellung der elektrischen Leistungszufuhr ist ein Anschlussstecker 35 im Bereich des Flanschabschnitts 21 an dem Antriebsgehäuse 2 angeordnet, der mit der Leistungselektronik 30 elektrisch verbunden ist. Auf einer Bestückungsseite der Leiterplatte, die dem Elektromotor 3 zugewandt ist, sind nicht weiter dargestellte elektrische Bauelemente angeordnet. Insbesondere sind in einem radialen Bereich, der sich mit dem Spiralgehäuseabschnitt 14 überdeckt, solche elektrischen Bauelemente angeordnet, die einen hohen elektrischen Leistungsdurchsatz haben und eine entsprechend hohe Abwärme erzeugen, wie z.B. Transistoren oder Kondensatoren.

Zur Kühlung der elektrischen Bauelemente steht eine dem Pumpengehäuse 1 zugewandte Rückseite der Leiterplatte der Leistungselektronik 30 mit einer Wärmeableitwand 6 in Verbindung. Die Wärmeableitwand 6 ist durch ein Metallblech bereitgestellt, das sich durch die Flanschebene zwischen dem Pumpengehäuse 1 und dem Antriebsgehäuse 2 erstreckt. Die Wärmeableitwand 6 grenzt den geöffneten Querschnitt der offenen Seite des Antriebsgehäuses 2 von dem fluidführenden, geöffneten Querschnitt der Pumpenkammer 10 und des Spiralgehäuseabschnitts 14 in der offenen Seite des Pumpengehäuses 1 ab. Somit ist eine trockene Kammer für die elektrischen Antriebskomponenten in dem Antriebsgehäuse 2 sichergestellt. Hierzu weist die Wärmeableitwand 6 eine Bohrung für einen Durchtritt der Welle 5 auf. Die Bohrung umschließt einen Außenumfang des Lageraufhahmeabschnitts 25.

Der Lageraufnahmeabschnitt 25 umfasst ferner einen Kragen 26, der das dünne Metallblech der Wärmeableitwand 6 gegen einen Förderdruck in dem fluidführenden Bereich der Pumpenbaugruppe abstützt. In dem Kragen 26 ist eine Ringnut eingearbeitet, in der eine Dichtung 65 zur Abdichtung zwischen dem Lageraufnahmeabschnitt 25 und der Wärmeableitwand 6 angeordnet ist. Auch in dem Flanschabschnitt 21 ist eine Nut eingearbeitet, in der eine Dichtung 62 zur Abdichtung zwischen dem Flanschabschnitt 21 und der Wärmeableitwand 6 angeordnet ist. Ebenso ist in dem Flanschabschnitt 12 des Pumpengehäuses 1 eine Nut eingearbeitet, in der eine Dichtung 61 zur Abdichtung des Flanschabschnitts 12 zu der Wärmeableitwand 6 angeordnet ist.

An einem Außenrand weist die Wärmeableitwand 6 Umformungsabschnitte 60 auf, die nach einer Umformung den Flanschabschnitt 21 umgreifen und somit eine formschlüssige Fügeverbindung zur eigenständigen Fixierung der Wärmeableitwand 6 an dem Antriebsgehäuse 2 ermöglichen. Die Wärmeableitwand 6 erstreckt sich insbesondere in dem flüssigkeitsführenden Bereich des Pumpengehäuses 1 im Wesentlichen flach in der Flanschebene, um Strömungshindemisse in dem Förderstrom zu vermeiden. Im Bereich des Flanschabschnitts 12 des Pumpengehäuses 1 ist in der Wärmeableitwand 6 eine Ausformung 63 ausgebildet, um Raum für Positionierungsmittel und Kontaktierungsmittel zwischen der Leistungselektronik 30 und dem Anschlussstecker 35 sowie für eine optionale rückseitige Bestückung der Leiterplatte, beispielsweise bei einer Betriebsspannung von 48 V, zu schaffen. Hierzu kann die sickenformige Ausformung 63 auch größer bzw. breiter ausgeführt werden, als dargestellt. Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf die Wärmeableitwand 6 aus einer Richtung des Pumpengehäuses 1. Die Wärmeableitwand 6 ist als ein Blechstanzteil hergestellt, das im Wesentlichen einer Außenkontur des Flanschabschnitts 21 des Antriebsgehäuses 2 entspricht, um die offene Seite in der Flanschebene abzuschließen.

Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf die Rückseite der Leiterplatte der Leistungselektronik 30, die sich in dieser Perspektive unterhalb der Wärmeableitwand 6 aus Fig. 2 in einer Aufnahme des Antriebsgehäuses 2 befindet.

Fig. 4 ist eine Draufsicht auf die offene Seite des Antriebsgehäuses 2 sowie dem geöffneten Querschnitt, der durch die Wärmeableitwand 6 abgegrenzt und durch die Dichtung 62 abgedichtet wird. Zwischen den radialen Gehäusestegen 22 sind axiale Steckverbindungen für eine gegenseitige Ausrichtung und elektrische Kontaktierung zwischen dem Elektromotor 3 und der Leistungselektronik 30 vorgesehen. Ebenso sind an einer Fassung des Anschlusssteckers 35 und in einer Mehrfachsteckverbindung Positionierungsmittel für eine Ausrichtung und eine elektrische Kontaktierung der Leistungselektronik 30 vorgesehen.

Die Wärmeableitwand 6 ist aus einem Metallblech mit einer Wandstärke von ca. 1,0 mm gefertigt. Im Vergleich zu den W andabschnitten der Gussformteile, die das Antriebsgehäuse 2 oder das Pumpengehäuse 1 bilden, weist die Wärmeableitwand 6 eine erheblich geringere flächenbezogene Masse auf. Demzufolge weist die Wärmeableitwand 6, unter Berücksichtigung von thermischen Materialeigenschaften, wie einer spezifischen Wärmeleitfähigkeit von geeigneten Materialien für die Wärmeableitwand 6 und dem Antriebsgehäuse 2 oder dem Pumpengehäuse 1, eine geringere flächenbezogene Wärmespeicherkapazität auf. Darüber hinaus ist eine Wärmeleitstrecke von einer thermischen Kontaktfläche zu der Leiterplatte der Leistungselektronik 30 bis zu einer Grenzfläche des flüssigkeitsführenden Bereichs kürzer. Demzufolge wird eine erfindungsgemäße, verbesserte Wärmeableitung von Abwärme der Leistungselektronik 30 zu dem Förderstrom bereitgestellt, die im Wesentlichen ohne eine Zwischenspeicherung in einem Gehäuseabschnitt abläuft. Nachfolgend werden alternative Ausführungsformen zur Ausgestaltung eines thermischen Kontakts genannt.

In der dargestellten Ausführungsform der Erfindung stehen die Leiterplatte der Leistungselektronik 30 und die Wärmeableitwand 6 in einem großflächigen Kontakt, der gegebenenfalls durch Wärmeleitmittel, wie einer Wärmeleitpaste, einem Wärmeleitkleber oder einem Wärmeleitpad zusätzlich sichergestellt sein kann.

In nicht dargestellten Ausführungsformen der Erfindung können ferner weitere Mittel zur Unterstützung einer Wärmeableitung zwischen der Leistungselektronik 30 und der Wärmeableitwand 6, insbesondere in Bezug zu der Bestückungsseite der Leiterplatte bereitgestellt sein. Hierzu sind metallische Verbindungen zwischen der Rückseite der Leiterplatte und der Bestückungsseite der Leiterplatte in der Leistungselektronik 30 angeordnet. Die metallischen Verbindungen können in Form von einer metallisierten Bohrung, metallisierten Flächen an der Leiterplatte, oder metallischen Elementen, die eine Öffnung der Leiterplatte durchgreifen, bereitgestellt sein. Derartige metallische Verbindungen stellen einen thermischen Kontakt von der Wärmeableitwand 6, durch die Leiterplatte hindurch, zu einem elektrischen Bauelement, wie einem Transistor oder einem Kondensator her.

In einer weiteren, nicht dargestellten Ausführungsform der Erfindung, sind anstelle der metallischen Verbindungen, durch Umformung ausgeprägte Abschnitte in der Wärmeableitwand 6 ausgebildet, die zu der Leiterplatte der Leistungselektronik 30 gerichtet sind. Die umgeformten, ausgeprägten Abschnitte stellen einen thermischen Kontakt zu ausgewählten Bereichen der Leiterplatte her, in denen elektrische Bauteile mit einem hohen elektrischen Leistungsdurchsatz angeordnet sind.

In einer nicht dargestellten, bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein durch Umformung ausgeprägter Abschnitt in der Wärmeableitwand 6 ausgebildet, der eine Öffnung in der Leiterplatte zu der B estückungsseite hindurch greift. Der umgeformte, ausgeprägte Abschnitt steht mit einem elektrischen Bauelement, wie einem Transistor oder einem Kondensator in Verbindung. In dieser Ausgestaltung wird ein direkter thermischer Kontakt zwischen dem elektrischen Bauelement und der Wärmeableitwand 6 hergestellt, der ohne Materialgrenzen einer dazwischen liegenden metallischen Verbindung auskommt. Somit wird in dem umgeformten Bereich des ausgeprägten Abschnitts eine erfindungsgemäß möglichst unmittelbare Wärmeableitung aus der Leistungselektronik 30 über die kurze Strecke der geringen Wandstärke der Wärmeableitwand 6 zu dem Förderstrom erzielt.

Es versteht sich, dass sämtliche Ausgestaltungen aus verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung untereinander austauschbar sind, d.h. in alternativen Konfigurationen miteinander kombiniert werden können, und solche alternativen Konfi gurationen ebenfalls Teil dieser Offenbarung sind, solange sich eine Kombination nicht widerspricht. Bezugszeichenliste:

1 Pumpengehäuse

2 Antriebsgehäuse

3 Elektromotor

4 Pumpenlaufrad 5 Welle

6 Wärmeableitwand

7 Motordeckel

10 Pumpenkammer

11 Einlass 12 Flanschabschnitt

14 Spiralgehäuseabschnitt

21 Flanschabschnitt

22 Gehäusesteg

23 Gehäusewand 25 Lageraufnahmeabschnitt

26 Kragen

30 Leistungselektronik 35 Anschlussstecker

52 Wellenlager 60 Umformungsabschnitt

61 Dichtung

62 Dichtung 63 Ausformung

65 Dichtung

72 Dichtung

Claims

Ansprüche

1. Elektrische Kühlmittelpumpe, aufweisend: ein Pumpengehäuse (1) mit einem Spiralgehäuseabschnitt (14), der eine Pumpenkammer (10) umgibt und zu einem Auslass fuhrt, sowie mit einem zentralen Einlass (11); wobei das Pumpengehäuse (1) eine offene Seite aufweist, die von einem Flanschabschnitt (12) umgeben ist; einen trockenlaufenden Elektromotor (3), der über eine Welle (5) ein Pumpenlauffad (4) in der Pumpenkammer (10) antreibt; und ein Antriebsgehäuse (2), in dem ein Elektromotor (3) und eine Leistungselektronik (30) aufgenommen sind, und das eine offene Seite aufweist, die von einem Flanschabschnitt (21) umgeben ist; dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebsgehäuse (2) einen zentralen Lageraufnahmeabschnitt (25) aufweist, in dem ein Wellenlager (52) aufgenommen ist; eine zu dem Antriebsgehäuse (2) separate Wärmeableitwand (6) bereitgestellt ist, die den Elektromotor (3) von dem Pumpengehäuse (1) abgrenzt, und in einem thermischen Kontakt mit der Leistungselektronik (30) steht; wobei die Wärmeableitwand (6) zu einer offenen Querschnittsfläche der Pumpenkammer (10) und einer offenen Querschnittsfläche des Spiralgehäuseabschnitts (14) freiliegt; und die Wärmeableitwand (6) eine geringere flächenbezogene Wärmespeicherkapazität als der Lageraufiiahmeabschnitt (25), der Spiralgehäuseabschnitt (14) und die Flanschabschnitte (12, 21) aufweist.

2. Elektrische Kühlmittelpumpe nach Anspruch 1 , wobei die Wärmeableitwand (6) eine geringere Wandstärke als der

Lageraufhahmeabschnitt (25), der Spiralgehäuseabschnitt (14) und die

Flanschabschnitte (12, 21) aufweist.

3. Elektrische Kühlmittelpumpe nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Wärmeableitwand als ein Metallblech mit einer Wandstärke von 0,5 bis 1 ,5 mm ausgebildet ist.

4. Elektrische Kühlmittelpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich die Wärmeableitwand (6) in einem axialen Bereich zwischen dem Flanschabschnitt (12) des Pumpengehäuses (1) und dem Flanschabschnitt (21) des Antriebsgehäuses (2) im Wesentlichen eben erstreckt.

5. Elektrische Kühlmittelpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wärmeableitwand (6) in einer Flanschebene zwischen dem Flanschabschnitt (12) des Pumpengehäuses (1) und dem Flanschabschnitt (21) des Antriebsgehäuses

(2) fixiert ist.

6. Elektrische Kühlmittelpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Wärmeableitwand (6) mit einer Fläche einer Rückseite einer Leiterplatte der Leistungselektronik (30) in einem direkten thermischen Kontakt steht.

7. Elektrische Kühlmittelpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei an einer Rückseite einer Leiterplatte der Leistungselektronik (30) wenigstens eine metallisierte Fläche angeordnet ist, durch die ein thermischer Kontakt zwischen der Wärmeableitwand (6) und der Rückseite der Leiterplatte bereitgestellt ist.

8. Elektrische Kühlmittelpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei in einer Leiterplatte der Leistungselektronik (30) wenigstens eine metallisierte Bohrung angeordnet ist, die sich von einer Rückseite durch die Leiterplatte zu einer Bestückungsseite erstreckt, wodurch über die wenigstens eine metallisierte Bohrung ein thermischer Kontakt zwischen der Wärmeableitwand (6) und einem elektrischen Bauteil der Leistungselektronik (30) bereitgestellt ist.

9. Elektrische Kühlmittelpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei in einer Leiterplatte der Leistungselektronik (30) wenigstens eine Öffnung angeordnet ist, und sich ein metallisches Bauteil von einer Rückseite durch die Öffnung zu einer Bestückungsseite der Leiterplatte erstreckt, wodurch über das metallische Bauteil ein thermischer Kontakt zwischen der Wärmeableitwand (6) und einem elektrischen Bauteil der Leistungselektronik (30) bereitgestellt ist.

10. Elektrische Kühlmittelpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Wärmeableitwand (6) ausgeprägte Abschnitte aufweist, die mit einer Rückseite einer Leiterplatte der Leistungselektronik (30) in einem thermischen Kontakt stehen.

11. Elektrische Kühlmittelpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Wärmeableitwand (6) einen ausgeprägten Abschnitt aufweist, und in einer Leiterplatte der Leistungselektronik (30) eine Öffnung angeordnet ist, wobei sich der ausgeprägte Abschnitt von einer Rückseite der Leiterplatte durch die Öffnung zu einer Bestückungsseite der Leiterplatte hindurch erstreckt, wodurch ein direkter thermischer Kontakt zwischen der Wärmeableitwand (6) und einem elektrischen Bauteil der Leistungselektronik (30) bereitgestellt ist.