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Die
Erfindung betrifft eine Pumpe, insbesondere eine Umwälzpumpe,
die ein in einem Pumpengehäuse
angeordnetes Flügelrad
umfasst, mit welchem ein Fluid von einem Pumpenzulauf des Pumpengehäuses zu
einem Pumpenablauf des Pumpengehäuses
förderbar
ist. Ein Rotor des Elektromotors ist über eine Welle mit dem Flügelrad mechanisch gekoppelt,
so dass durch eine Drehung des Rotors das Flügelrad in eine entsprechende
Drehbewegung versetzbar ist. Ferner umfasst die Pumpe ein Mittel zur
Kühlung
des Rotors des Elektromotors.
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Zur
Steigerung der Effizienz von Umwälzpumpen
ist es bekannt, diese aus besonders hochwertigen Materialien zur
Verbesserung ihres Wirkungsgrades herzustellen. Solche Umwälzpumpen werden
als Hocheffizienz-Umwälzpumpen
bezeichnet. So sind beispielsweise Kurzschlussstäbe des Rotors aus Kupfer anstelle
des häufig
verwendeten Aluminiums gefertigt. Allerdings weisen diese Hocheffizienz-Umwälzpumpen
den Nachteil hoher Kosten auf.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Pumpe anzugeben, bei
der auf einfachere und kostengünstigere
Weise eine Erhöhung
des Wirkungsgrades möglich
ist.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch eine Pumpe mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen wiedergegeben.
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Eine
erfindungsgemäße Pumpe
umfasst ein in einem Pumpengehäuse
angeordnetes Flügelrad, mit
welchem ein Fluid von einem Pumpenzulauf des Pumpengehäuses zu
einem Pumpenablauf des Pumpengehäuses
förderbar
ist. Die Pumpe umfasst weiter einen Elektromotor, dessen Rotor über eine Welle
mit dem Flügelrad
mechanisch gekoppelt ist, so dass durch eine Drehung des Ro tors
das Flügelrad
in eine entsprechende Drehbewegung versetzbar ist. Darüber hinaus
ist ein Mittel zur Kühlung
des Rotors des Elektromotors vorgesehen, das durch einen in der
Welle angeordneten Thermosiphon gebildet ist, wobei das Flügelrad als
Wärmesenke
für ein
Arbeitsmedium des Thermosiphons dient.
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Die
Erfindung macht sich den Umstand zu Nutze, dass bei Elektromotoren
eine bessere Abkühlung
des Rotors zu einer Erhöhung
des Wirkungsgrads führt.
Bei der erfindungsgemäßen Pumpe
wird dieser Effekt ausgenutzt und ein Wellen-Thermosiphon in der
Rotorwelle eingesetzt. Durch die Kühlung der Welle wird auch der
Rotor des Elektromotors gekühlt,
wodurch sich die erwünschte
Wirkungsgraderhöhung
ergibt. Die von dem Rotor abgeführte
Wärme wird über den
Thermosiphon an das in einem Fluid, z. B. Heizungswasser, befindliche
Pumpenrad abgegeben, wobei das Pumpenrad als Kondensator dient bzw.
ausgelegt ist. Dies hat zur Folge, dass die Verlustwärme des
Rotors des Elektromotors in den Fluidkreislauf zurückgeführt wird.
Ist dieser, wie erwähnt,
ein Heizungskreislauf, so kann auch dessen Effizienz erhöht werden,
da dem Heizungswasser Wärme
zugeführt
wird.
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Die
erfindungsgemäße Pumpe
weist darüber hinaus
den Vorteil auf, dass diese gegenüber den aus dem Stand der Technik
bekannten Hocheffizienz-Umwälzpumpen
kostengünstiger
herstellbar sind, da herkömmliche
Materialien, insbesondere Kurzschlussstäbe des Rotors aus Aluminium,
verwendet werden können.
Darüber
hinaus kann aber auch der Wirkungsgrad von bereits optimierten Hocheffizienz-Umwälzpumpen
nochmals erhöht
werden. Aufgrund der bereits geringeren Verluste von Hocheffizienz-Umwälzpumpen
ist zwar eine geringere Effizienzsteigerung als bei herkömmlichen
Umwälzpumpen
zu erwarten. Dennoch ermöglicht
das Vorsehen eines Thermosiphons in der Welle und die Nutzung des
Flügelrads
als Wärmesenke
eine weitere Verbesserung des Wirkungsgrads.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung ist zur Ausbildung des Thermosiphons
in der Welle eine sich in Längsrichtung
erstreckende Ausnehmung vorgesehen, in welcher das Arbeitsmedium
aufgrund einer Änderung
des Aggregatzustands zwischen flüssig
und gasförmig
zirkuliert. Es ist hierbei zweckmäßig, wenn sich die Ausnehmung über die
gesamte Breite des Rotors des Elektromotors erstreckt, damit ein
möglichst
guter Wärmeeintrag
in das Arbeitsmedium in dem Thermosiphon erfolgen kann. Darüber hinaus
ist es weiterhin vorteilhaft, wenn die Ausnehmung im Bereich von
Lagerstellen des Elektromotors ausgebildet ist. Zusätzlich zur
Abkühlung
des Rotors werden auch die Lagertemperaturen an den Lagerstellen
vergleichmäßigt und
verringert, wodurch sich die Lebensdauer dieser hochbelasteten Verschleißteile erhöht.
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In
einer Ausgestaltung weist die Welle einen Zentralabschnitt und einen
Endabschnitt auf, der mit dem Zentralabschnitt fest verbunden ist
und an welchem das Flügelrad
befestigt ist, wobei die Ausnehmung in dem Zentralabschnitt zylindrisch
und die Ausnehmung in dem Endabschnitt konisch ausgebildet ist.
Durch diese Ausgestaltung wird die Zirkulation des im Betrieb der
Pumpe verschiedene Aggregatzustände
aufweisenden Arbeitsmediums sichergestellt. Die Zirkulation des
Arbeitsmediums wird im Gegensatz zu herkömmlichen Thermosiphons nicht durch
Kapillarkräfte,
sondern durch Rotationskräfte ermöglicht.
Hierzu ist die konische Gestalt der Ausnehmung in dem Endabschnitt
der Welle notwendig, um kondensiertes Arbeitsmedium zurück in Richtung des
Rotors des Elektromotors zu pressen.
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Eine
konkrete Ausgestaltung sieht vor, dass der Elektromotor und zumindest
ein Teil des Zentralabschnitts der Welle fluiddicht in einem Gehäuseteil angeordnet
sind, wobei der Endabschnitt außerhalb des
Gehäuseteils
angeordnet ist. Insbesondere sind der Endabschnitt und der Zentralabschnitt
der Welle außenumfangsseitig
von einer Dichtung umgeben, wobei die Dichtung vorzugsweise außerhalb
des Gehäuseteils
angeordnet ist und sich an eine Durchtrittsöffnung für die Welle anschmiegt. Das
Gehäuseteil kann
beispielsweise ein den Elek tromotor umgebendes Motorgehäuse darstellen.
Das Gehäuseteil
und das Pumpengehäuse
können
in einer praktischen Ausgestaltung miteinander kombiniert sein.
Die Dichtung sorgt dafür,
dass das von dem Flügelrad
geförderte
Fluid nicht in Kontakt mit Komponenten des Elektromotors geraten
kann, was zu seiner Zerstörung
führen
könnte.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung ist in der konischen Ausnehmung des Endabschnitts
eine Vorrichtung mit sich von einer zentralen Nabe radial erstreckenden
Speichen vorgesehen, um die Bildung eines Kondensatfilms des Arbeitsmediums
an der konischen Wandung des Endabschnitts zu verbessern. Die Vorrichtung
ist bevorzugt in der konischen Ausnehmung angeordnet und bezweckt
eine verbesserte Zirkulation des Arbeitsmediums in dem Thermosiphon.
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Es
ist weiterhin zweckmäßig, wenn
der Durchmesser der Ausnehmung, insbesondere in dem Zentralabschnitt,
im Verhältnis
zu dem Durchmesser der Welle derart ist, dass mindestens ein vorgegebenes
Drehmoment an das Flügelrad übertragen
werden kann. Durch das Vorsehen einer Ausnehmung in der Welle wird
das von dem Elektromotor auf das Flügelrad übertragbare Drehmoment verringert.
Bei der konstruktiven Ausgestaltung des Thermosiphons ist deshalb
darauf zu achten, dass ein mindestens notwendiges Drehmoment von
der Welle noch an das Flügelrad übertragen
werden kann. Gegebenenfalls kann das Vorsehen des Thermosiphons in
der Welle dazu führen,
dass der Durchmesser der Welle erhöht werden muss, um notwendige
Betriebsparameter der Pumpe noch erfüllen zu können.
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Es
hat sich ferner gezeigt, dass die Effizienz des Thermosiphons dann
besonders hoch ist, wenn die Wandung der Ausnehmung rau ist. Dies
bedeutet, es ist insbesondere beim Einbringen der Ausnehmungen in
den Zentral- und Endabschnitt der Welle nicht notwendig, die Wandungen
in besonderer Weise nachzuarbeiten. Vielmehr hat sich gezeigt, dass die
Effizienz des Thermosiphons dann am höchsten ist, wenn nach dem Einbringen
der Ausnehmung keine weiteren Bearbeitungsschritte der Ausnehmung erfolgen.
Hierdurch lassen sich neben einer maximalen Erhöhung des Wirkungsgrades die
Kosten für
die Herstellung des Thermosiphons gering halten.
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Es
ist weiterhin zweckmäßig, wenn
das Arbeitsmedium in die Ausnehmung unter Vakuum eingebracht und
durch Vorsehen von Dichtmitteln dauerhaft verlustfrei in der Ausnehmung
angeordnet ist. Als Arbeitsmedium ist ein Kältemittel, insbesondere Wasser,
FC72, R124a, R600a, Isobutan usw., mit einer Verdampfungstemperatur
von weniger als 100°C vorgesehen.
Prinzipiell eignet sich als Arbeitsmedium jedes Kältemittel,
das eine Verdampfungstemperatur aufweist, welche geringer ist als
die von dem Rotor des Elektromotors erzeugte Wärme.
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In
einer weiteren Ausgestaltung weist die Welle an einem dem Endabschnitt
gegenüberliegenden
Ende außerhalb
des Gehäuseteils
eine Nabe auf, welche zur Verbindung mit einem Lüfterrad zur Kühlung des
Elektromotors vorgesehen ist. Das zusätzliche Lüfterrad kann eine weitere Wärmesenke für den Thermosiphon
darstellen. Prinzipiell macht die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Thermosiphons
mit dem Flügelrad
als Wärmesenke
das Vorsehen eines weiteren Lüfterrads
jedoch entbehrlich.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung ist die Welle in einer Einbausituation waagerecht
gelagert oder derart gelagert, dass in Bezug auf eine Schwerkraftrichtung
das Flügelrad
an dem Endabschnitt der Welle höher
als der Zentralabschnitt der Welle liegt. In diesen beiden Fällen ist
sichergestellt, dass die Funktionsfähigkeit des Thermosiphons zur
Reduktion der Temperatur des Rotors des Elektromotors gewährleistet
ist. In anderen, davon abweichenden Einbausituationen kann eine
Kühlung
des Rotors nicht mehr sichergestellt werden. Zwar ist dann keine
Erhöhung
des Wirkungsgrads der Pumpe mehr möglich, jedoch ist der Pumpenbetrieb
ohne Weiteres mit dem herkömmlichen
Wirkungsgrad möglich.
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Die
Erfindung wird nachfolgend näher
anhand eines Ausführungsbeispiels
in der Zeichnung erläutert.
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Die
einzige Figur zeigt einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Pumpe,
die beispielsweise als Umwälzpumpe
in einem Heizkreislauf verwendet wird.
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Die
in der Figur dargestellte Pumpe weist ein Flügelrad 2 auf, das
in einem zweitteiligen Pumpengehäuse 1a, 3 angeordnet
ist. Das Pumpengehäuse 1a weist
einen Pumpenzulauf 1c, z. B. von einer Heizung, auf, der
in einen Sammelkanal 1b mündet. Der Sammelkanal 1b erstreckt
sich spiralförmig
in radialer Richtung des Flügelrades 2 und
mündet
in einen Pumpenablauf 1d des Pumpengehäuses 1a. Der Pumpenablauf 1d ist
beispielsweise mit einem Zulauf zu einem Heizungskörper verbunden.
Das Pumpengehäuse 3 ist
im Ausführungsbeispiel
einstückig
mit einem Motorgehäuse 5 ausgebildet
und weist eine Durchtrittsöffnung 14 für eine Welle 7 auf,
welche das Flügelrad 2 mechanisch
direkt, d. h. ohne zwischengeschaltetes Getriebe, mit einem Rotor
eines Elektromotors 6 verbindet. Der Elektromotor 6 ist
in dem Motorgehäuse 5 angeordnet.
Um eine Abdichtung der in dem Motorgehäuse 5 vorgesehenen
elektrischen Komponenten gegenüber
dem von dem Flügelrad 2 geförderten
Fluid, z. B. Wasser, zu erzielen, ist außerhalb des Motorgehäuses 5 im
Bereich der Durchtrittsöffnung 14 eine
Dichtung 4 vorgesehen. Die Dichtung 4 schmiegt
sich an den äußeren Rand der
Durchtrittsöffnung 14 an
und ist mit einer Tellerfeder 13, welche außenumfangsseitig
auf der Welle 7 angeordnet ist, verbunden.
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Die
Welle 7 ist zweiteilig ausgeführt und weist einen Zentralabschnitt 9a, 9b (mit
lediglich beispielhaft unterschiedlichen Durchmessern) und einen
mit diesem verbundenen Endabschnitt 10 auf. Sowohl in dem
Zentralabschnitt 9a, 9b als auch in dem Endabschnitt 10 ist
eine bezüglich
der Rotationsachse vorgesehene Ausnehmung ausgebildet. In dem Zentralabschnitt 9a, 9b ist
die Ausnehmung durchgängig
zylindrisch ausgebildet. In dem Endabschnitt 10 ist die
Ausnehmung ko nisch ausgebildet. Wie der Figur zu entnehmen ist,
ist das Flügelrad 2 mit
dem Endabschnitt 10 der Welle 7 verbunden. Der
Zentralabschnitt 9a, 9b und der Endabschnitt 10 sind
derart miteinander verbunden, dass ein in die Ausnehmung 8 unter
Vakuum eingebrachtes Arbeitsmedium dauerhaft verlustfrei in der
Ausnehmung angeordnet ist. Als Arbeitsmedium ist in der Ausnehmung 8 ein
Kältemittel
vorgesehen, welches eine Verdampfungstemperatur von bevorzugt weniger
als 100°C
aufweist. Als Kältemittel
kann beispielsweise Wasser, R124a, R600a, FC72, Isobutan usw. verwendet
werden.
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Durch
das Vorsehen der Ausnehmung 8 in der Welle 7 mit
der beschriebenen Form der Ausnehmung in dem Zentralabschnitt 9 und
dem Endabschnitt 10 sowie dem Einbringen des Kältemittels in
die Ausnehmung 8 ist ein in der Welle angeordneter Thermosiphon
gebildet, bei dem das mit der Welle verbundene Flügelrad 2 als
Wärmesenke
für das
Kältemittel
des Thermosiphons dient. Durch den Thermosiphon wird eine Abkühlung des
Rotors des Elektromotors und dessen Lagerstellen 15, 16 erreicht. Beim
Betrieb des Elektromotors werden in der Nähe des Rotors Temperaturen
von ca. 150°C
bis 300°C erreicht,
wodurch das in der Ausnehmung 8 vorgesehene Kältemittel
zu verdampfen beginnt. In einer Einbausituation, in der die Welle
der Umwälzpumpe waagerecht
gelagert oder derart gelagert ist, dass in Bezug auf eine Schwerkraftrichtung
das Flügelrad 2 an
dem Endabschnitt 10 der Welle 7 höher als
der Zentralabschnitt 9a, 9b der Welle liegt, wird
das verdampfte Kältemittel
in Richtung des Endabschnitts 10 der Welle 7 aufgrund
der Rotation der Welle verdrängt.
Das Flügelrad 2 ist
in dem Fluid, das beispielsweise im Fall eines Heizkreislaufs maximal 70°C aufweist,
angeordnet und stellt einen Kondensator des Thermosiphons dar.
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Aufgrund
der geringeren Temperatur des Flügelrads 2 sowie
der konischen Ausgestaltung der Ausnehmung 8 im Bereich
des Endabschnitts kondensiert das verdampfte Arbeitsmittel und wird
aufgrund der rotierenden Welle 7 an die Wandung der konischen
Ausnehmung des Endabschnitts 10 gedrückt. Durch die konische Gestalt
der Ausnehmung 8 im Bereich des Endabschnitts 10 ist
sichergestellt, dass das kondensierte Arbeitsmedium in Richtung des
Zentralabschnitts 9a, 9b gedrückt wird, bis es wiederum in
den Bereich des Elektromotors 6 (und damit der Wärmequelle)
gelangt und dort von Neuem verdampft wird. Das Arbeitsmedium zirkuliert
damit aufgrund seiner Änderung
des Aggregatzustands zwischen flüssig
und gasförmig
in der Ausnehmung 8 der Welle 7. Hierdurch wird
Abwärme
von dem Elektromotor abtransportiert und über das Flügelrad 2 in das von
diesem geförderte
Fluid eingetragen. Die Zirkulation des Arbeitsmediums des in der
Welle 7 ausgebildeten Thermosiphons basiert dabei im Gegensatz
zu herkömmlichen
Thermosiphons nicht auf Kapillarkräften, sondern auf den während des
Betriebs auftretenden Rotationskräften in der Welle 7.
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Im
Ergebnis wird hierdurch eine Kühlung
des Rotors des Elektromotors 6 sowie der Lagerstellen 15, 16 der
Welle 7 im Bereich des Elektromotors 6 bewirkt,
wodurch sich eine Erhöhung
des Wirkungsgrades ergibt. Gleichzeitig kann die von dem Elektromotor 6 abgeführte Verlustwärme in dem
Fluidkreislauf, in dem sich das Flügelrad 2 befindet,
zurückgewonnen
werden.
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Das
in der Figur dargestellte Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Pumpe
weist eine mit der Welle 7 und aus dem Motorgehäuse 5 herausragende,
optionale Nabe 12 auf, welche an dem dem Endabschnitt gegenüberliegenden
Ende der Welle 7 angeordnet ist. Die Nabe 12 dient
zur Aufnahme eines herkömmlichen
Lüfterrades,
um optional eine weitere Kühlung
des Elektromotors zu bewirken.
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Der
Durchmesser der Ausnehmung 8, insbesondere in dem Zentralabschnitt 9a, 9b,
muss im Verhältnis
zum Durchmesser der Welle 7 derart bemessen sein, dass
mindestens ein vorgegebenes Drehmoment an das Flügelrad 2 übertragen
werden kann. Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Welle 7 in
ihrem Zentralabschnitt 9a, 9b Abschnitte unterschiedlicher
Durchmesser und damit unterschiedlicher Wandstärken zur Übertragung des geforderten Drehmoments
auf. Diese Darstellung ist lediglich exemplarisch und nicht zwingend.
Unabhängig
von den Wandstärken
der Welle 7 in unterschiedlichen Abschnitt des Zentralabschnitts 9a, 9b weist
die Bohrung 8 in dem Zentralabschnitt 9a, 9b durchgängig den
gleichen Durchmesser auf, so dass eine Zirkulation des Arbeitsmediums
in der Ausnehmung 8 sichergestellt ist.
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Bei
der Herstellung der Ausnehmung 8 in der Welle ist es nicht
notwendig, die Wandung der Ausnehmung 8 nachzuarbeiten.
Es hat sich vielmehr herausgestellt, dass die Effizienz des Thermosiphons umso
größer ist,
je rauer die Wandung der Ausnehmung 8 ist. Es ist jedoch
zweckmäßig, gegebenenfalls
zur Herstellung der Ausnehmung 8 in diese eingebrachte
Schmierstoffe zu entfernen, da diese den Aggregatzustand des Arbeitsmediums
nachteilig beeinflussen können.
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Der
in der Welle 7 der Umwälzpumpe
vorgesehene Thermosiphon kann sowohl in herkömmlichen Pumpen, wie z. B.
Umwälzpumpen,
als auch in sog. Hocheffizienz-Pumpen vorgesehen werden. Wird ein
Thermosiphon in eine herkömmliche
Pumpe eingebaut, so lassen sich Pumpen mit, den Hocheffizienz-Pumpen
vergleichbaren, Wirkungsgraden wesentlich günstiger realisieren, da auf
kostengünstigere
Materialien bei der Herstellung der Pumpen zurückgegriffen werden kann.
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Beispielsweise
lässt sich
bei Standard-Pumpen mit einem Asynchronmotor im Bereich von 10 bis 20
kW eine Effizienzsteigerung von 1,5% erzielen. Das Vorsehen eines
Thermosiphons in der Welle einer Hocheffizienz-Pumpe führt auch
dort zu einer Verbesserung des Wirkungsgrads, wobei die Effizienzsteigerung
jedoch geringer als bei herkömmlichen
Pumpen ausfällt,
da Hocheffizienz-Pumpen bereits von Haus aus geringere Verluste
aufweisen.