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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Flüssigkeitspumpe mit einem Nassbereich und einem Trockenbereich gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Aus der
EP 2 476 914 A1 ist eine gattungsgemäße elektrische Flüssigkeitspumpe mit einem Nassbereich bekannt, in welchem ein Pumpenrad und ein permanent erregter Rotor eines elektronisch kommutierten Elektromotors angeordnet sind. Die Flüssigkeitspumpe weist darüber hinaus einen Trockenbereich auf, in dem eine elektrische Platine angeordnet ist. Den Nassbereich und der Trockenbereich sind durch eine in einer Querebene liegende Trennwand und durch einen Spalttopf voneinander getrennt. Die elektrische Platine besitzt darüber hinaus mehrere Leistungshalbleiter mit jeweils einer Kühlfahne, die auf der der Trennwand zugewandten proximalen Seite einer weiteren Platine angeordnet sind. Die Kühlfahnen sind dabei jeweils auf einer eigenen Leiterbahn der Platine aufgesetzt, wobei die Trennwand auf ihrer dieser Platine zugewandten Seite eine elektrisch nichtleitende Wärmefolie aufweist, die jeweils unmittelbar auf der Kühlfahnenleiterbahn aufliegt. Hierdurch soll eine Flüssigkeitspumpe geschaffen werden, bei welcher insbesondere die Leistungshalbleiter gut gekühlt und die Kühlfahnen derselben unmittelbar mit einer Leiterbahn auf der Platine kontaktiert sind.
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Die Leistungsfähigkeit modernder elektrischer Flüssigkeitspumpen wird oftmals durch deren thermische Belastungsfähigkeit begrenzt. Da derartige Flüssigkeitspumpen oftmals über eine Steuerungselektronik gesteuert werden, die zudem üblicherweise im Gehäuse der Flüssigkeitspumpe angeordnet ist und dort Wärme erzeugt, ist ein Ausfall der Flüssigkeitspumpe umso wahrscheinlicher, je höher die Temperatur im Gehäuse um die temperaturempfindliche Steuerungselektronik herum ansteigt. Aus diesem Grund sind aus dem Stand der Technik bereits mannigfaltige Maßnahmen bekannt, den Trockenbereich, in welchem die Steuerungselektronik üblicherweise angeordnet ist zu kühlen und dadurch die thermische Belastung für die Steuerungselektronik zu senken und die Leistungsfähigkeit der Flüssigkeitspumpe zu steigern. Die aus dem Stand der Technik bekannten Kühlmaßnahmen sind dabei jedoch einerseits aufwändig und andererseits nur bedingt effektiv.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für eine elektrische Flüssigkeitspumpe der gattungsgemäßen Art eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch ein verbessertes Thermomanagement und eine erhöhte Leistungsfähigkeit auszeichnet.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, eine zur Steuerung einer Flüssigkeitspumpe erforderliche Steuerungselektronik durch eine direkte Anbindung an einen einen Nassbereich und einen Trockenbereich in der Flüssigkeitspumpe trennenden Spalttopf effektiv und zugleich konstruktiv einfach zu kühlen. Die erfindungsgemäße elektrische Flüssigkeitspumpe weist dabei besagten Nassbereich auf, in welchem ein Pumpenrad sowie ein permanent erregter Rotor eines Elektromotors angeordnet sind. Davon durch den Spalttopf abgetrennt ist der Trockenbereich, in dem ein Stator des Elektromotors sowie die Steuerungselektronik zum Steuern der Flüssigkeitspumpe angeordnet sind. Durch die wärmeübertragende Verbindung zwischen der Steuerungselektronik und dem Spalttopf und dadurch mit dem Nassbereich ist es erfindungsgemäß möglich, das von der Flüssigkeitspumpe geförderte Fluid, beispielsweise Kühlmittel zur Kühlung der Steuerungselektronik heranzuziehen und dadurch eine Wärmeableitung von der Steuerungselektronik durch den Spalttopf in den Nassbereich zu ermöglichen. Durch die effektive Kühlung der Steuerungselektronik kann insbesondere auch der Wirkungsgrad des Pumpenantriebs deutlich verbessert werden, da speziell die Wärmeabfuhr eine entscheidende Größe für den Wirkungsgrad des Pumpenantriebs ist. Durch die effektive Kühlung der Steuerungselektronik kann auch ein für diese vorgesehener Bauraum reduziert werden, wodurch die Flüssigkeitspumpe insgesamt kompakter gebaut werden kann.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist die Flüssigkeitspumpe als Kühlmittelpumpe ausgebildet. Insbesondere bei einer als Kühlmittelpumpe ausgebildeten Flüssigkeitspumpe die bevorzugt in Kraftfahrzeugen eingebaut wird, ist eine kompakte Bauweise aufgrund eines immer geringer werdenden Bauraumangebots im Bereich eines Motorraums von großem Vorteil. Durch die kompaktere Bauweise kann darüber hinaus Gewicht eingespart werden, was bei Kraftfahrzeugen ebenfalls von großem Vorteil ist.
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Zweckmäßig ist der Spalttopf zumindest im Bereich der wärmeübertragenden Anbindung der Steuerungselektronik oder vollständig aus Metall ausgebildet, wobei alternativ auch denkbar ist, dass der Spalttopf aus Kunststoff ausgebildet ist, in den Partikel mit besonders guter Wärmeleitfähigkeit, insbesondere Metallpartikel, Graphit oder Keramik, zur besseren Wärmeleitung eingebettet sind. Die Partikel weisen vorteilhafterweise eine bessere Wärmeleitfähigkeit als das Kunststoffmaterial auf in dem diese eingebettet sind. Bei Einsatz von Keramikpartikeln wie beispielsweise Bornitrid kann nicht nur eine gute Wärmeleitfähigkeit erzielt, sondern auch vermieden werden, dass durch die Partikel Strom durch die Wandung hindurch geleitet werden kann, da solche Partikel elektrisch isolierend sind. Um eine möglichst hohe Wärmeabfuhr von der Steuerungselektronik durch den Spalttopf in den Nassbereich bewirken zu können, ist es erforderlich, dass der Spalttopf im Anbindungsbereich der Steuerungselektronik eine gute Wärmeübertragung, das heißt eine hohe Wärmeleitfähigkeit und einen geringen Wärmeleitwiderstand aufweist. Metalle und insbesondere hierbei Aluminium besitzen eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit, die eine hohe Wärmeabfuhrrate von der Steuerungselektronik durch den Spalttopf in den Nassbereich und damit eine Wärmeübergabe an das Kühlmittel ermöglichen. Eine vollständige Ausbildung des Spalttopfes aus Metall bewirkt eine optimierte Wärmeübertragung zwischen dem Trockenbereich und dem Nassbereich und damit auch eine optimale Kühlung der Steuerungselektronik. Selbstverständlich ist auch eine im Vergleich zu einer Ausbildung aus Metall kostengünstigere Ausbildung aus Kunststoff denkbar, wobei in diesem Kunststoff zur besseren Wärmeleitfähigkeit gut wärmeleitende Partikel, insbesondere Metallpartikel, Graphit oder Keramik eingebettet sein können. Wiederum alternativ hierzu ist denkbar, dass der Spalttopf, beispielsweise im Bereich einer Deckscheibe, lediglich partiell aus Metall ausgebildet ist, so dass der Spalttopf gänzlich als Kompositbauteil, bestehend aus Kunststoffzylinder und metallischer Deckscheibe betrachtet werden kann. Diese wäre ein Kompromiss zwischen einerseits kostengünstiger Herstellung und andererseits verbesserter Wärmeabfuhr.
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Zweckmäßig weist der Spalttopf im Anbindungsbereich zur Steuerungselektronik das zuvor genannte metallische Einlegeteil auf, um welches bzw. an welches der übrige Spalttopf aus Kunststoff angespritzt ist. Alternativ kann der Spalttopf auch als rohrförmiger Kunststoffzylinder, das heißt generell als Kunststoffrohr ausgebildet sein, es einem Ende von einer metallischen Deckscheibe verschlossen ist. An dieser metallischen Deckscheibe wiederum wäre die Steuerungselektronik wärmeübertragend angebunden. Die individuelle Ausführungsform des Spalttopfes und die jeweils gewählte wärmeübertragende Anbindung der Steuerungselektronik kann dabei individuelle auf unterschiedlichste Varianten einzelner Flüssigkeitspumpen ausgerichtet bzw. angepasst werden. Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung weist der Spalttopf eine Lagerstelle zum Lagern des Rotors des Elektromotors auf. Die Lagerstelle kann dabei an einer Axialwand des zylinderförmigen Spalttopfes angeordnet sein, wobei der Spalttopf wahlweise einstückig oder aus mehreren Bestandteilen zusammengesetzt ist. Bei einer einstückigen Ausbildung des Spalttopfes ist beispielsweise das Einprägen einer entsprechenden Lagerstelle an einem Topfboden des Spalttopfes mit der Herstellung desselben denkbar. Ist der Spalttopf hingegen als Verbundbauteil ausgebildet, so ist auch denkbar, dass die Lagerstelle über zumindest zwei radiale Stege an einem rohrförmigen Kunststoffzylinder gehalten sind, dessen eines Ende von einer metallischen Deckscheibe umgriffen und verschlossen ist. In diesem Fall kann somit der Kunststoffzylinder zusammen mit den beiden die Lagerstelle haltenden Radialstegen als kostengünstiges Kunststoffspritzgussteil ausgebildet sein und lediglich von der topfartigen metallischen Deckscheibe verschlossen werden. Alternativ ist selbstverständlich auch vorstellbar, dass die Lagerstelle in der metallischen Deckscheibe angeordnet ist und diese einfach an einem Längsende auf das den übrigen Spalttopf bildende Kunststoffrohr aufgeschoben wird. Bei allen aus mehreren Teilen miteinander verbundenen Spalttöpfe ist dabei darauf zu achten, dass eine entsprechende Abdichtung zwischen den einzelnen Teile erfolgt, um eine unerwünschten Flüssigkeitsdurchtritt vom Nassbereich in den Trockenbereich und dadurch beispielsweise eine Beschädigung der Steuerungselektronik effektiv zu verhindern.
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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 Bauteile beziehen.
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Dabei zeigen, jeweils schematisch,
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1 eine Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Flüssigkeitspumpe, mit einer an einen Spalttopf wärmeübertragend angebundenen Steuerungselektronik,
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2 eine Detaildarstellung der wärmeübertragenden Verbindung zwischen Steuerspalttopf und Steuerungselektronik bei einer anderen Ausführungsform,
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3 bis 5 jeweils eine Darstellung wie in 2, jedoch bei unterschiedlichen Ausführungsformen,
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6 eine Schnittdarstellung durch einen Spalttopf mit über Radialstege gehaltener Lagerstelle und metallischer Deckscheibe.
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Entsprechend der 1 weist eine elektrische Flüssigkeitspumpe 1, die insbesondere als Kühlmittelpumpe ausgebildet sein und in einem Kraftfahrzeug angeordnet sein, einen Nassbereich 2 auf, in dem ein Pumpenrad 3 sowie ein permanent erregter Rotor 4 eines Elektromotors 5 angeordnet sind. Ein Stator 6 des Elektromotors 5 hingegen ist in einem Trockenbereich 7 angeordnet, ebenso wie eine Steuerungselektronik 8 zum Steuern des Elektromotors 5. Eine fluiddichte Trennung zwischen dem Trockenbereich 7 und dem Nassbereich 2 erfolgt über einen Spalttopf 9. Erfindungsgemäß ist nun im Trockenbereich 2 der Flüssigkeitspumpe 1 die Steuerungselektronik 8 angeordnet, die zudem wärmeübertragend mit dem Spalttopf 9 und dadurch mit dem Nassbereich 2 und dem darin strömenden Kühlmittel bzw. Fluid verbunden ist. Durch die wärmeübertragende Anbindung der Steuerungselektronik 8 an den Spalttopf 9 kann eine rasche Wärmeabfuhr und damit eine effektive Kühlung der Steuerungselektronik 8 erzielt werden, was insbesondere für die Leistungsfähigkeit der Flüssigkeitspumpe 1 von entscheidendem Vorteil ist. Zudem kann bei der erfindungsgemäßen Flüssigkeitspumpe 1 der Trockenbereich 7 und dabei insbesondere der die Steuerungselektronik 8 direkt umgebende Raum kleiner gehalten werden, da die Steuerungselektronik 8 durch die wärmeübertragende Anbindung an den Spalttopf 9 besser gekühlt ist, so dass die erfindungsgemäße Flüssigkeitspumpe 1 insgesamt kompakter gebaut und damit bauraumoptimiert ausgebildet werden kann.
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Die Steuerungselektronik 8 weist in den gezeigten Ausführungsformen eine Platine 10 auf, auf welcher zumindest zwei Leistungshalbleiter 11 montiert sind. Die Leistungshalbleiter 11 sind dabei auf einer dem Spalttopf 9 abgewandten Seite der Platine 10 angeordnet. Die Platine 10 ist auf ihrer dem Spalttopf 9 zugewandten Seite über thermisch leitfähige Plättchen 12 am Spalttopf 9 angebunden, wobei die Plättchen 12 durch die Platine 10 hindurch wärmeübertragend mit den Leistungshalbleitern 11, beispielsweise über sogenannte "Thermal Vias 13" verbunden sind. Der Begriff "Thermal Vias" steht dabei üblicherweise generell für thermische Leiter.
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Die einzelnen möglichen Ausführungsformen der wärmeübertragenden Anbindung der Steuerungselektronik 8 an den Spalttopf 9 sind dabei in den 2 bis 6 dargestellt.
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In 2 ist dabei eine erste mögliche Ausführungsform der thermischen Anbindung der Steuerungselektronik 8 an den Spalttopf 9 gezeigt. In diesem Beispiel ist der Spalttopf 9 vorzugsweise vollständig aus Metall ausgebildet und dadurch in hohem Maße wärmeleitfähig, so dass die Steuerungselektronik 8 über die Plättchen 12 viel Wärme an den Spalttopf 9 und damit an das im Nassbereich 2 strömende Kühlmittel abgeben kann. Selbstverständlich kann der Spalttopf 9 auch lediglich im Bereich der wärmeübertragenden Anbindung der Steuerungselektronik 8 aus Metall ausgebildet sein, im Übrigen jedoch aus Kunststoff. Um die Wärmeleitfähigkeit des aus Kunststoff ausgebildeten Spalttopfes 9 zumindest geringfügig verbessern zu können, können in den Kunststoff des Spalttopfs 9 Metallpartikel 20 eingebettet sein.
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Betrachtet man die 3, so kann man erkennen, dass im Bereich der thermischen Anbindung der Steuerungselektronik 8 an den Spalttopf 9 ein metallisches Einlegeteil 14 in den Kunststoff des Spalttopfes 9 eingebettet ist. In diesem Fall ist somit der Spalttopf 9 als Verbundbauteil aus Kunststoff und Metall ausgebildet.
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Bei der Ausführungsform gemäß der 1 ist eine zusätzliche Deckscheibe 15 zwischen den Plättchen 12 der Steuerungselektronik 8 und dem Spalttopf 9 angeordnet, die eine vergleichsweise große Wärmeübertragungsfläche zum Spalttopf 9 aufweist und dadurch ebenfalls für eine hohe Wärmeableitung sorgt. An der zusätzlichen Deckscheibe 15 ist zugleich eine Lagerstelle 16 ausgebildet, in welcher eine Welle 17 des Rotors 4 gelagert ist. Eine derartige Lagerstelle 16 ist bei den zuvor gezeigten Ausführungsformen der Flüssigkeitspumpe 1 direkt am Spalttopf 9 ausgebildet. Ein Durchbruch im Spalttopf 9 durch welchen die Lagerstelle 16 der zusätzlichen Deckscheibe 15 hindurchragt ist selbstverständlich mittels einer Dichtung 18 abgedichtet, so dass auch in diesem Fall eine komplette Trennung zwischen dem Nassbereich 2 und dem Trockenbereich 8 aufrechterhalten werden kann.
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Betrachtet man die Ausführungsform gemäß der 5 so kann man erkennen, dass der Spalttopf 9 als rohrförmiger Kunststoffzylinder ausgebildet ist, dessen eines Ende von einer metallischen Deckscheibe 15 umgriffen und dichtend abgeschlossen ist. Die Lagerstelle 16 ist hier wie auch in 4, ebenfalls in der Deckscheibe 15 angeordnet. Über eine Dichtung 18 ist die Deckscheibe 15 gegenüber dem rohrförmigen Spalttopf 9 abgedichtet. Die in der 5 gezeigte Ausführungsform bietet den großen Vorteil einer vergleichsweise großen metallischen Wärmeübertragungsfläche und dadurch einer guten Wärmeabfuhr.
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Gemäß der 6 ist ebenfalls ein vorzugsweise aus Kunststoff ausgebildeter rohrförmiger Spalttopf 9 gezeigt, bei welchem jedoch die Lagerstelle 16 über zumindest zwei Stege 19 am rohrförmigen Kunststoffzylinder des Spalttopfes 9 gehalten ist. Das benachbarte axiale Längsende des Kunststoffzylinders ist dabei ebenfalls von einer metallischen Deckscheibe 15 umgriffen und verschlossen, wobei die metallische Deckscheibe 15 im gezeigten Ausführungsbeispiel nunmehr keine Lagerstelle 16 mehr besitzt. Die Abdichtung zwischen dem rohrförmigen Kunststoffzylinder und der Deckscheibe 15 erfolgt dabei ebenfalls wiederum mittels bekannter Dichtungen 18, beispielsweise O-Ringdichtungen.
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Sämtlichen gezeigten Ausführungsformen ist dabei gemein, dass die Steuerungselektronik 8 wärmeübertragend und damit gut wärmeableitend mit dem Spalttopf 9 und darüber mit dem Nassbereich 2 der Flüssigkeitspumpe 1 verbunden ist, wodurch die Kühlung der Steuerungselektronik 8 deutlich verbessert wird. Durch die verbesserte Kühlung der Steuerungselektronik 8 kann insbesondere der Wirkungsgrad derselben und damit deren Effizienz deutlich verbessert werden. Durch die verbesserte Kühlung kann darüber hinaus der Trockenbereich 2 und hierbei insbesondere der die Steuerungselektronik 8 umgebende Raum reduziert werden, wodurch eine größere Leistungsdichte und eine kompakte Bauweise erzielt werden können.
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Bei einer Kompositbauweise aus Kunststoff und Metall kann der erfindungsgemäße Spalttopf 9 nicht nur die verbesserte Wärmeübertragung bewirken, sondern zugleich auch qualitativ hochwertig und kostengünstig hergestellt werden. Sofern die Lagerstelle 16 in einem aus Metall ausgebildeten Teil, beispielsweise der Deckscheibe 15 oder dem Spalttopf 9 angeordnet ist, kann darüber hinaus eine höhere Festigkeit und Belastungsfähigkeit der Flüssigkeitspumpe 1 erzielt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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