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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Kreiselpumpe zur Förderung von flüssigen Medien, wie insbesondere eine Kühlmittelpumpe für eine Verbrennungsmaschine mit einer verbesserten thermischen Ausgestaltung zur Wärmeabfuhr von Verlustleistung aus elektrischen Bauelementen einer Leistungselektronik des elektrischen Pumpenantriebs in den Förderstrom.
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In vielen Anwendungen, und unter nachfolgender Betrachtung im Besonderen beim Thermomanagement von Verbrennungsmaschinen im Fahrzeugbau, werden Kreiselpumpen mit einem integrierten elektrischen Antriebsmotor eingesetzt, die eine hohe Flexibilität in Bezug auf verfügbare Leistungsklassen, einen breiten effektiven Betriebsbereich und Steuerungsmöglichkeiten des Antriebs ermöglichen.
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Im Betrachtungsbeispiel einer Kühlmittelpumpe, ist diese 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.
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Zugleich besteht das Erfordernis einer Wärmeabfuhr aus dem Elektromotor und der Elektronik, welche die elektrische Leistung zur Ansteuerung der Statorspulen des Elektromotors aufnimmt. Ein Wärmeübergang zu einer kühleren Umgebungstemperatur ist einerseits aufgrund der zuvor erläuterten, abgeschlossen Bauform erschwert, und wäre zum anderen während einer umgekehrten Temperaturdifferenz zu einer höheren Umgebungstemperatur durch die Verbrennungsmaschine im Motorraum kontraproduktiv. Eine weitere Möglichkeit zur Abfuhr der elektrischen Verlustleistung besteht in einem Wärmeübergang zwischen der Leistungselektronik und dem Förderstrom der Pumpe, d.h. im betrachteten Fall ein Wärmeübergang in das geförderte Kühlmittel, das die Pumpe durchströmt.
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Während einer hohen Leistungsbeanspruchung der Verbrennungsmaschine und einer hohen Umgebungstemperatur ruft die Steuerung des Thermomanagements im Fahrzeug eine maximale Kühlleistung für die Verbrennungsmaschine ab. Dabei setzen auch der elektrische Antrieb der Kühlmittelpumpe und dessen Leistungselektronik eine maximale elektrische Leistung um und erzeugen entsprechend große Abwärme. Hierbei erreichen Komponenten wie die Feldspulen des Elektromotors, die zumeist in unmittelbarer Nähe zur Leistungselektronik angeordnet sind, aber auch eine Umgebungstemperatur der Kühlmittelpumpe nahe der Verbrennungsmaschine kritische Temperaturen, die bei unzureichender Abfuhr der Wärmeerzeugung aus der Leistungselektronik zu einem Ausfall des elektrischen Antriebs durch Überhitzung führen können. Somit wäre die Betriebsfähigkeit der Kühlmittelpumpe und folglich der gesamte Fahrbetrieb eines Fahrzeugs mit der Verbrennungsmaschine gefährdet.
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An Kühlmittelpumpen sind bereits Bemühungen in unterschiedlichen konstruktiven Ausgestaltungen unternommen worden, um die Leistungselektronik in einen Wärmeaustausch mit dem Kühlmittel einzubinden. Das Kühlmittel nimmt im Fahrbetrieb eine Solltemperatur von etwa 110° ein, und kann unter besonderen Belastungszuständen kurzfristig auf 120° oder bis 130° ansteigen. Solange die Temperatur der Leistungselektronik eng an den Temperaturbereich des Kühlmittels gekoppelt ist, kann eine Überhitzung der Leistungselektronik verhindert werden. Da eine Temperatur von wenigen zehn Grad darüber bereits bleibende Schäden in der Elektronik hervorrufen kann, verbleibt lediglich eine geringe Temperaturdifferenz, um einen effektiven Wärmeübergang zu realisieren.
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Die
WO 2014/154240 A1 offenbart eine elektronische Kfz-Fluidpumpe, deren elektronische Motorsteuerung auf zwei Hauptplatinen in parallelen Ebenen angeordnet ist, die mit einem flexiblen Leitungsband verbunden sind. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine größere Platinenoberfläche, d.h. eine geringere Bestückungsdichte und eine funktionale Trennung der Bestückung von elektrischen Bauelementen unterschiedlicher Leistungsaufnahme. Eine Hauptplatine steht in Kontakt mit einer Stirnseite eines Spalttopfes eines Nassläufermotors, der als elektrischer Pumpenantrieb dient.
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Eine andere Konstruktion des Pumpenaufbaus, die einen verbesserten Wärmeaustausch zwischen der Elektronik einer Kühlmittelpumpe und dem geförderten Kühlmittelstrom sicherstellt, ist Gegenstand einer Patentanmeldung
DE 10 2016 122 702 A1 derselben Anmelderin, die zum Zeitpunkt der vorliegenden Patentanmeldung noch nicht offengelegt ist.
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Die
DE 10 2016 122 702 A1 beschreibt eine elektrische Kühlmittelpumpe, die ein Pumpengehäuse mit einer Pumpenkammer, in der ein Pumpenlaufrad drehbar aufgenommen ist, und eine Aufnahme für eine elektronische Leistungselektronik des elektrischen Antriebs in Form eines Wärmeableitungssockel zur Pumpenkammer umfasst. Der sockelförmige Gehäuseabschnitt ist dazu ausgestaltet, eine geeignete Wärmebrücke zwischen Leistungselektronik und Kühlmittel an einer Umfangsposition der Pumpenkammer, in axialer Überschneidung mit einer Außenkante des Pumpenlaufrads bereitzustellen.
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Die genannte Pumpenkonstruktion weist jedoch ein relativ aufwendig gestaltetes Pumpengehäuse mit optionaler Integration eines miniaturisierten Kreislaufs für eine flüssigkeitsgekühlte Elektronik auf. Der entsprechende Fertigungsaufwand wirkt sich insbesondere bei der Produktion großer Stückzahlen wirtschaftlich nachteilig aus.
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Somit besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine elektrische Kreiselpumpe mit verbesserter thermischer Stabilisierung der Leistungselektronik des elektrischen Antriebs und einem einfach aufgebauten Pumpengehäuse zu schaffen.
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Die Aufgabe wird durch eine elektrische Kreiselpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Die elektrische Kreiselpumpe zur Förderung von flüssigen Medien umfasst ein Pumpengengehäuse mit einer Pumpenkammer sowie einem mit der Pumpenkammer verbundenen Pumpeneinlass und Pumpenauslass; ein Flügelrad, das auf einer am Pumpengehäuse gelagerten Pumpenwelle innerhalb einer radialen Umfangsfläche der Pumpenkammer drehbar aufgenommen ist; einen elektrischen Motor, der mit der Pumpenwelle gekoppelt ist; und eine Leiterplatte, die elektrische Bauelemente zur Ansteuerung des elektrischen Motors mit elektrischer Leistung aufweist.
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Die elektrische Kreiselpumpe zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass die Leiterplatte Abschnitte umfasst, die tangential und/oder konzentrisch zu der radialen Umfangsfläche der Pumpenkammer angeordnet sind.
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Die Erfindung sieht somit erstmals vor, eine einteilige, abschnittsweise geneigte oder gekrümmte Leiterplatte bzw. eine mehrteilige Leiterplatte mit zueinander geneigten oder gekrümmten Abschnitten um die zylindrische Pumpenkammer herum anzuordnen, um eine Wärmeübergangsstrecke von der Elektronik bis zum Fördermedium an mehreren Punkten der Leiterplatte soweit wie möglich zu verkürzen.
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Zugleich kann der Aufbau des Pumpengehäuses relativ einfach ausgestaltet sein, sodass lediglich das Erfordernis eines entsprechenden Bauraums für die Leistungselektronik radial um die Pumpenkammer herum im Pumpengehäuse bereitstellt sein muss.
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Gegenüber der beschriebenen Kühlmittelpumpe aus der
DE 10 2016 122 702 A1 verschafft die erfindungsgemäße, abschnittsweise Ausgestaltung und Ausrichtung der Leiterplatte den Vorteil, dass nicht nur ein kleiner Umfangsabschnitt der Pumpenkammer, sondern vorzugsweise annährend die gesamte Umfangsfläche für eine möglichst kurze Wärmestrecke zwischen den wärmeerzeugenden Bauelementen der Elektronik und dem geförderten Medium genutzt wird.
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Ferner erhöht die erfindungsgemäße Erweiterung einer Wärmeübergangsfläche am Umfang der Pumpenkammer die potenziell abführbare Verlustleistung aus der Elektronik um mehr als nur den einfachen Faktor der Flächenzunahme, da es sich hierbei nicht wie z.B. im Falle der Erweiterung eines Wärmeableitungssockels lediglich um einen vergrößerten Ableitungsquerschnitt handelt, sondern zugleich um die Erweiterung einer thermischen Kontaktfläche mit einem Massestrom.
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Zudem wird innerhalb der erfindungsgemäß erweiterten thermischen Kontaktfläche eine Aufnahme und Abfuhr von Wärme in dem Massestrom durch starke Konvektion erhöht, die aus Turbulenzen des Flügelrads im Radialbereich der Pumpenkammer resultiert. Somit wird ein Wärmeeintrag von der Leiterplatte bzw. der Kammerwand in den passierenden Massestrom des Fördermediums zusätzlich erhöht.
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Dabei trifft das Fördermedium bzw. Kühlmittel, das durch die Flügel radial nach außen beschleunigt wird, auf die radiale Umfangsfläche der Pumpenkammer auf, welche durch die Innenfläche einer das Flügelrad umgebenden Kammerwand oder eines Spiralgehäuses gebildet wird, und wird in einen umlaufenden Strom umgeleitet. Die Konvektion des auftreffenden Massestroms wird ferner aufgrund eines aus der Fliehkraft bedingten, nach außen wirkenden Anpressdrucks gegen die thermische Kontaktfläche verstärkt. Somit sieht die erfindungsgemäße Ausgestaltung und Anordnung einer Leiterplatte eine Erweiterung der thermischen Kontaktfläche dort vor, wo konvektionsbedingt die bestmögliche Wärmeabnahme des Massestroms des vorbeigeführten Fördermediums bzw. Kühlmittels bereitsteht.
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Demzufolge wird eine Wärmeabfuhr aus der Elektronik verbessert, was beispielsweise im Falle einer maximalen Kühlmitteltemperatur zum Tragen kommt, bei der nur mehr eine geringe Temperaturdifferenz von wenigen Grad zur Bewirkung eines Wärmeübergangs zur Verfügung steht.
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Abgesehen von der Temperaturdifferenz wird durch die intensive Konvektion des Massestroms an der erfindungsgemäß erweiterten thermischen Kontaktfläche der radialen Umfangsfläche der Pumpenkammer eine Wärmeerzeugung bei starken Leistungsanstiegen in der Elektronik schneller abgenommen und abtransportiert. Demzufolge wird ein thermischer Widerstand des Wärmeübergangs gesenkt, ein Temperaturanstieg in der Elektronik früher unterbunden und einer zeitlich verzögerten Wärmeabfuhr, die erst unter einer größeren Temperaturdifferenz eintritt, entgegengewirkt.
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Somit wird auch unterhalb einer maximalen Kühlwassertemperaturen, d.h. in einem mittleren Bereich einer Betriebstemperatur, der über den Großteil der Betriebsdauer besteht, der Vorteil einer höheren thermischen Konstanz der Elektronik erzielt, was sich in einer geringeren Anzahl und Intensität von Temperaturschwankungen widerspiegelt und sich positiv auf die Lebensdauer und Alterung der Elektronik auswirkt.
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Vorteilhafte Weiterbildungen, die eine thermische Stabilisierung der Leistungselektronik weiter begünstigen, sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann die Leiterplatte ebene Abschnitte umfassen, die sich tangential zur radialen Umfangsfläche der Pumpenkammer erstrecken.
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Durch die Einteilung und Anordnung der Leiterplatte in tangentiale Abschnitte wird die Anzahl an Kontaktpunkten zu einer zylindrischen Kammerwand des Pumpengehäuses erhöht.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann aus den elektrischen Bauelementen ein Transistor oder ein Kondensator auf einem ebenen Abschnitt der Leiterplatte am Scheitelpunkt der Tangente zur radialen Umfangsfläche der Pumpenkammer positioniert sein.
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Durch diese Positionierung, die eine Bestückung von elektronischen Bauelementen, die eine große elektrische Leistung aufnehmen, an Kontaktpunkten zwischen der Leiterplatte und der Kammerwand des Pumpengehäuses vorsieht, wird eine Wärmeübergangsstrecke zwischen den Verlustleistungswärmequellen und dem Förderstrom der Pumpe weiter verkürzt.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann die Leiterplatte gekrümmte Abschnitte umfassen, deren Krümmungsinnenfläche der Pumpenkammer zugewandt ist.
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Durch die Ausgestaltung gekrümmter Abschnitte kann zu einer zylindrischen Außenkontur einer Kammerwand der Pumpenkammer die Anzahl von Kontaktpunkten erhöht bzw. eine Kontaktfläche erzielt werden.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung können zumindest die gekrümmten Abschnitte der Leiterplatte aus einem flexiblen Kunstharz mit flexiblen elektrischen Leitern ausgebildet sein.
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Durch die Auswahl eines flexiblen Kunstharzes können gekrümmte und unterschiedlich ausgerichtete gerade Abschnitte anhand entsprechender Befestigungen im Pumpengehäuse während der Montage der Pumpe hergestellt werden. Somit kann ein Formgebungsprozess von vordefinierten Geometrien bzw. starren Krümmungen, die eine nachfolgende Bestückung der Elektronik erschweren würden, entfallen und die Produktionskosten gesenkt werden.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung können die Abschnitte der Leiterplatte separat ausgebildet sein und durch elektrische Leiter elektrisch verbunden sein.
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Durch eine Unterteilung der Leiterplatte in separate Abschnitte kann eine Bestückung der Elektronik auf ebenen Flächen sichergestellt werden. Darüber hinaus können Abstände zwischen den Abschnitten der Leiterplatte als Dehnungsfugen vorgesehen werden, die eine Problemstellung hinsichtlich des thermischen Ausdehnungsverhaltens einer einteiligen Leiterplatte mit mehreren Abschnitten vermeiden.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung können die Abschnitte der Leiterplatte integral ausgebildet sein.
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Durch die Ausbildung integraler Abschnitte kann bei der Fertigung der Leiterplatte ein Zusammensetzen und Verknüpfen separater Abschnitte entfallen, womit die Produktionskosten gesenkt werden können.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann die Leiterplatte abwechselnd integral ausgebildete ebene Abschnitte und gekrümmte Abschnitte umfassen.
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Durch die alternierende Ausgestaltung aus ebenen und gekrümmten Abschnitten kann eine fertigungstechnisch einfache und kostengünstige Variante der Leiterplatte bereitgestellt werden, welche die Vorteile von ebenen Flächen für eine herkömmliche Bestückung der Elektronik und einer integrierten, variablen Verknüpfung der Abschnitte kombiniert.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann die Leiterplatte integral ausgebildete gekrümmte Abschnitte umfassen, die eine zylindrische Leiterplatte bilden.
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Die Ausgestaltung einer zylindrischen Form stellt passend zu einer zylindrischen Außenkontur einer Pumpenkammer eine größtmögliche thermische Kontaktfläche her. Dadurch kann im Idealfall an sämtlichen Positionen der Bestückung der Elektronik ein thermischer Kontakt zwischen der Leiterplatte und der Kammerwand hergestellt werden.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann die zylindrische Leiterplatte als eine Kammerwand der Pumpenkammer in dem Pumpengehäuse eingerichtet sein, und die radiale Umfangsfläche der Pumpenkammer an einer Innenfläche der zylindrischen Leiterplatte bereitstellt sein.
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Durch den Einsatz der Leiterplatte als Bestandteil des Pumpengehäuses im Bereich der radialen Eingrenzung der Pumpenkammer kann das Material des Pumpengehäuses in der Wärmeübergangsstrecke zwischen der Leiterplatte und dem Förderstrom der Pumpe entfallen. Durch direkten Kontakt des Förderstroms mit der Leiterplatte wird ein Maximum in Bezug auf die Senkung eines Widerstands in der Wärmeleitfähigkeit der Wärmeübergangsstrecke, die Verkürzung der Wärmeübergangsstrecke und der resultierenden Wärmeabfuhr von Verlustleistung aus der Elektronik erzielt.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann eine Kammerwand der Pumpenkammer eine mehreckige Außenkontur in dem Pumpengehäuse aufweisen.
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Durch die Ausgestaltung einer mehreckigen Außenkontur der Kammerwand, die insbesondere der Flächenanzahl und Neigung der Abschnitte der Leiterplatte entspricht, wird eine Alternative zur zylindrischen Leiterplatte bereitgestellt, die ebenfalls eine größtmögliche thermische Kontaktfläche herstellt.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben. In diesen zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung im Querschnitt einer Pumpenkammer von einer Leiterplatte mit separaten geraden Abschnitten gemäß einer ersten Ausführungsform;
- 2 eine schematische Darstellung im Querschnitt einer Pumpenkammer von einer Leiterplatte mit separaten geraden Abschnitten gemäß einer zweiten Ausführungsform;
- 3 eine schematische Darstellung im Querschnitt einer Pumpenkammer von einer Leiterplatte mit integralen geraden und gekrümmten Abschnitten gemäß einer dritten Ausführungsform;
- 4 eine schematische Darstellung im Querschnitt einer Pumpenkammer von einer Leiterplatte mit integralen gekrümmten Abschnitten gemäß einer vierten Ausführungsform; und
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Nachstehend werden unterschiedliche Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf die 1 bis 4 beschrieben.
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1 zeigt eine schematische Darstellung der wesentlichen Elemente des erfindungsgemäßen Pumpenaufbaus. Ein Querschnitt in Bezug auf eine Pumpenwelle 3 verläuft durch ein Flügelrad 2 quer durch ein Pumpengehäuse 1. Ein elektrischer Motor 4, der über die Pumpenwelle 3 das Flügelrad 2 antreibt, liegt in axialer Betrachtung der 1 hinter dem Flügelrad 2, so dass perspektivisch nur dessen Position durch einen gestrichelten Pfeil dargestellt ist. Das Flügelrad 2 weist eine radial beschleunigend wirkende Ausgestaltung der Flügel auf und ist von einer Kammerwand 11 des Pumpengehäuses 1 umgeben, die eine Pumpenkammer 10 einschließt, in der das Flügelrad 2 rotiert.
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Die Kammerwand 11 ist schematisch vereinfacht als Hohlzylinder dargestellt. Zur Strömungsoptimierung kann die Kammerwand 11 abweichend zur Darstellung ebenso eine komplexere Formgebung, wie beispielsweise eine charakteristische Form eines Spiralgehäuses für eine Radialpumpe aufweisen. Ohne explizite Darstellung weist die Pumpe ebenso einen Pumpeneinlass auf, der als Saugstutzen vor dem Flügelrad 2 angeordnet ist, und das Fördermedium zentral auf das Flügelrad 2 zuströmen lässt, sowie einen Pumpenauslass in Form eines Druckstutzens, durch den das radial beschleunigte Fördermedium tangential aus der Pumpenkammer 10 abgeführt wird. Diese nicht dargestellten Bestandteile des Pumpenaufbaus entsprechen somit den bekannten Merkmalen eines Radialpumpentyps, der in der Verwendung als Kühlmittelpumpe für Verbrennungsmaschinen bevorzugt eingesetzt wird.
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Der elektrische Antrieb der Pumpe umfasst ferner eine Elektronik zur Zuführung von elektrischer Leistung aus einer externen Leistungsquelle zu dem elektrischen Motor 4, d.h. zur Ansteuerung von Feldspulen eines Stators. Die Elektronik wird durch einen Schaltkreis gebildet, der elektrische Bauelemente 6 umfasst, die auf einer Leiterplatte 5 verdrahtet bzw. verlötet und verschaltet sind. Die Elektronik umfasst sowohl elektrische Bauelemente 6, die beispielsweise zur Signalverarbeitung bereitgestellt sind, als auch elektrische Bauelemente 6 einer so genannten Leistungselektronik, wie beispielsweise Transistoren 61 und Kondensatoren 62, durch welche die zugeführte elektrische Leistung auf die Feldspulen des Stators des elektrischen Motors 4 verteilt und geschaltet wird. Die betreffenden Transistoren 61 und Kondensatoren 62 erzeugen erhebliche Abwärme, die aus einer Verlustleistung von Schalt- und Speichervorgängen zur Verteilung der elektrischen Leistung am Stator resultiert.
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Wie aus einer ersten Ausführungsform in 1 ersichtlich ist, weist die Leiterplatte 5 zueinander geneigte Abschnitte 51 mit einer ebenen Erstreckung auf, die in Bezug zur einer inneren radialen Umfangsfläche 12 der Pumpenkammer 10 oder einer ebenso zylindrisch dargestellten Außenkontur der Kammerwand 11 tangential verlaufend angeordnet sind. An den Scheitelpunkten zwischen der Kammerwand 11 und den Tangenten der ebenen Abschnitte 51 der Leiterplatte 5 stehen diese in direktem thermischen Kontakt. Ein direkter thermischer Kontakt im Sinne dieser Offenbarung bedeutet ein punktförmiger, linienförmiger oder flächiger, aneinanderstoßender Kontakt zwischen den bezeichneten Elementen. Dabei kann die Kontaktfläche durch den Einsatz einer Wärmeleitpasste zusätzlich vergrößert werden, um z.B. eine unebene Formgebung eines Spiralgehäuses ausgeglichen werden.
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Im Bereich solcher thermischen direkten Kontakte besteht durch die kurze Wärmeübergangsstrecke und den geringen Widerstand der Wärmeleitfähigkeit ein verbesserter Wärmeaustausch zwischen den elektrischen Bauelementen 6 der Elektronik und dem Fördermedium in der Pumpenkammer 10. Bestandteile der Leistungselektronik, wie die Transistoren 61 und Kondensatoren 62 sind auf den ebenen Abschnitten 51 der Leiterplatte 5 im Bereich solcher direkten thermischen Kontakte positioniert.
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In der Darstellung der ersten Ausführungsform aus 1 ist die Leiterplatte 5 in eine Hauptleiterplatte auf einem ebenen Abschnitt 51, der die gesamte Leistungselektronik umfasst, und eine Nebenleiterplatte auf einem ebenen Abschnitt 51, der eine wärmeempfindliche Mikroelektronik umfasst, aufgeteilt. Die beiden ebenen Abschnitte 51 sind durch eine nicht dargestellte, beliebige elektrische Verbindung, wie Kontaktstifte, ein Bus-Kabel, eine abgewinkelte oder stirnseitige Steckerleiste oder dergleichen elektrisch miteinander verbunden. Zudem sind nicht dargestellte Befestigungspunkte am Pumpengehäuse 1 vorgesehen, um an denen die ebenen Abschnitte 51 der Leiterplatte 5 mittels Schrauben, Nieten, Klammern oder dergleichen mechanisch fixiert oder eingespannt sind. Ferner sind die ebenen Abschnitte 51 der Leiterplatte 5 im montierten Zustand vorzugsweise gegen die Kammerwand 11 beaufschlagt, um einen Anpressdruck zu erzielen, der den thermischen Kontakt verbessert.
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In einer nicht dargestellt Modifikation der ersten Ausführungsform, die eine Alternative zum Einsatz einer Wärmeleitpaste darstellt, weist eine Außenkontur der Kammerwand 11 die Form eines Vielecks auf, dessen Ecken und Flächen der Anzahl, Maße und Ausrichtungen den ebenen Abschnitten 51 der Leiterplatte 5 entspricht. In dieser Modifikation ist somit in der Kammerwand 11 für jeden ebenen Abschnitt 51 der Leiterplatte 5 ein Wärmeableitungssockel integriert, wobei die ebenen Abschnitte 51 der Leiterplatte 5 flächig in direktem thermischen Kontakt mit der Kammerwand 11 des Pumpengehäuses 1 stehen.
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2 zeigt eine zweite Ausführungsform der Leiterplatte 5, die der ersten Ausführungsform aus 1 weitgehend entspricht. Wie der 2 zu entnehmen ist, umfasst die Leiterplatte 5 im Wesentlichen gleichartig gestaltete ebene Abschnitte 51, die senkrecht zueinander um die Kammerwand 11 des Pumpengehäuses 1 angeordnet sind. Zur einfacheren Darstellung wurden schematische Elemente der elektrischen Bausteine 6 nicht abgebildet.
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Im Zusammenhang mit der zweiten Ausführungsform ist zur Vereinfachung der Herstellung vorgesehen, dass ein Aufbau einer elektrischen Schaltung auf jedem ebenen Abschnitt 51 der Leiterplatte 5 im Wesentlichen gleich mit elektrischen Bausteinen 6 bestückt ist, wobei redundante Anordnungen der elektrischen Bausteine 6 auf den ebenen Abschnitten 51 der Leiterplatte 5 einer redundanten Struktur des Stators des elektrischen Motors 4, d.h. insbesondere einer entsprechenden Anzahl oder einem Faktor der Feldspulen oder einer Anzahl oder einem Faktor der Phasen eines bereitgestellten Drehstromes für den elektrischen Motor 4 zugeordnet sind. Somit umfasst beispielsweise jeder der in 2 dargestellten drei Abschnitte 51 der Leiterplatte 5 eine redundante elektrische Schaltung zur Beschaltung von x Feldspulen eines Stators mit 3x Feldspulen oder wahlweise zur Beschaltung einer Phase eines dreiphasigen Drehstromes. Die Transistoren 61 und Kondensatoren 62 der Leistungselektronik sind wiederum im Bereich des direkten thermischen Kontakts am Scheitelpunkt zwischen der Kammerwand 11 und dem jeweiligen ebenen Abschnitt 51 der Leiterplatte 5 positioniert.
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Die ebenen Abschnitt 51 der Leiterplatte 5 sind durch L-förmige metallische Leiter 53, wie insbesondere abgewinkelte Kontaktstifte elektrisch miteinander verbunden. Die Schenkel des L-förmigen elektrischen Leiters 53 weisen eine gewisse Flexibilität auf, sodass Spannungen zwischen den ebenen Abschnitten 51 der Leiterplatte 5, die aus thermischen Ausdehnungen derselben resultieren, elastisch ausgeglichen werden. Somit kann eine Belastung an Lötstellen zwischen den elektrischen Leitern 53 und der Leiterplatte 5 reduziert und deren Halbbarkeit erhöht werden.
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3 zeigt eine dritte Ausführungsform der Leiterplatte 5, die abwechselnd ebene Abschnitte 51 und gekrümmte Abschnitte 52 umfasst. Die Leiterplatte 5 ist über alle Abschnitte 51, 52 hinweg als integrales bzw. einteiliges Flächenelement ausgebildet. Die Leiterplatte 5 der dritten Ausführungsform ist aus einem flexiblen Kunststoff gefertigt. Die Leiterplatte ist durch nicht dargestellte Befestigungsmittel, wie Auflager, Halterungen oder Verschraubungen am Pumpengehäuse 1 abschnittsweise flächig fixiert bzw. eingespannt, wobei dazwischenliegende freie Abschnitten umgebogen sind. Somit ergeben sich zu den integralen ebenen Abschnitten 51, die funktional und strukturell den separaten ebenen Abschnitten 51 der ersten und zweiten Ausführungsform entsprechen, zusätzliche integrale gekrümmte Abschnitte 52 der Leiterplatte 5, welche eine flexible Biegung der einteiligen Leiterplatte 5 der dritten Ausführungsform ermöglichen.
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In einer Modifikation der dritten Ausführungsform weist die Leiterplatte 5 Abschnitte von unterschiedlicher Flexibilität auf. Dabei sind Flächenelemente aus einem starren Kunststoff mit einem flexiblen Kunststoff zusammenhängend bzw. benachbart umspritzt, sodass solche Abschnitte, die ein starres Flächenelement umfassen, die ebenen Abschnitte 51 der Leiterplatte 5 bilden, und die dazwischenliegenden Abschnitte der flexiblen Umspritzung die gekrümmten Abschnitte 52 der Leiterplatte 5 bilden. An den gekrümmten Abschnitten 52 sind ebenso flexible elektrische Leiter 53 bereitgestellt. Durch die starren Flächenelemente dieser Modifikation wird eine Bestückung der elektrischen Bauelemente 6 beim Aufbringen des Schaltkreises auf der Leiterplatte 5 erleichtert.
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In einer wiederum anderen Modifikation der dritten Ausführungsform bestehen die ebenen Abschnitte 51 der Leiterplatte 5 aus einem starren Kunststoff mit Knickstellen bzw. Knickkanten als gekrümmte Abschnitte 52 und Leitungsbändern mit einer Vielzahl parallelgeführter flexibler Leiter zur elektrischen Verbindung.
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4 zeigt eine vierte Ausführungsform der Erfindung, die als einteilige zylindrische Leiterplatte 50 ausgeführt ist, und ausschließlich aus integralen gekrümmten Abschnitten 52 mit konzentrischer Krümmung zur Pumpenkammer 10 gebildet wird. Auch in dieser Ausführungsform weisen die integralen gekrümmten Abschnitten 52 der einteiligen zylindrischen Leiterplatte 50 redundante Schaltkreise auf, die einer entsprechenden Struktur des Stators des elektrischen Motors 4 zugeordnet sind.
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Die zylindrische Leiterplatte 50 der dritten Ausführungsform besteht aus einem starren Kunststoff und weist eine geschlossene Innenfläche ohne Bohrungen oder sonstige Durchbrüche zur Bestückung der Elektronik auf. Eine elektrische Kontaktierung und mechanische Verankerung von elektrischen Bauelementen 6 besteht somit ausschließlich an der Außenseite der zylindrischen Leiterplatte 50. An der Innenseite stellt die zylindrische Leiterplatte 50 eine flüssigkeitsdichte Fläche bereit, die als radiale Umfangsfläche der Pumpenkammer 10 dient. Somit bildet die zylindrische Leiterplatte 50, die in das Pumpengehäuse eingesetzt und fixiert ist, selbst die Kammerwand 11 des Pumpengehäuses 1 und ersetzt diese. Das Pumpengehäuse 1 weist hierzu nicht dargestellte, flanschförmige Aufnahmen für die Stirnseiten der zylindrischen Leiterplatte 50 auf, um die Pumpenkammer 10 axial dichtend abzuschließen.
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In einer nicht dargestellt Modifikation der vierten Ausführungsform weist das Pumpengehäuse 1 ebenso wie in der ersten bis dritten Ausführungsform eine Kammerwand 11 auf. Die zylindrische Leiterplatte 50 ist um die Kammerwand 11 herum angeordnet und steht umlaufenden in direktem thermischen Kontakt mit derselben. In der Modifikation der vierten Ausführungsform besteht die zylindrische Leiterplatte 50 wahlweise aus einem flexiblen Kunststoff, wie im Zusammenhang mit der dritten Ausführungsform beschrieben ist.
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In einer weiteren nicht dargestellt Ausführungsform weist die Leiterplatte 50 im Querschnitt die Form eines geschlossenen Vielecks anstatt eines Kreisringes auf, und bildet somit einen prismatischen Hohlkörper, dessen Innenflächen mit einer zylindrischen oder komplementären Außenkontur der Kammerwand 11 des Pumpengehäuses 1 in direktem thermischen Kontakt stehen.
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Darüber hinaus können spezifische Merkmale und Details der hier beschriebenen Ausführungsformen mit denjenigen der anderen Ausführungsformen kombiniert werden, solange sich die Kombination der Merkmale und Details nicht widerspricht oder der Ausführbarkeit entgegensteht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2014/154240 A1 [0007]
- DE 102016122702 A1 [0008, 0009, 0017]
