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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Kühlmittelpumpe vom Typ einer Schraubenspindelpumpe zum Fördern eines Kühlmittelkreislaufs oder dergleichen, insbesondere zum Fördern von korrosiven, flüssigen Medien.
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Schraubenspindelpumpen sind Verdrängerpumpen, die hohe Drücke und eine hohe volumetrische Effizienz ermöglichen. Sie bieten keine drehzahlunabhängige Verstellung der Geometrie, allerdings weisen sie eine verschmutzungsunempfindliche, robuste Drehkolbenmechanik auf, die ohne filigrane Elemente wie Sperrschieber oder dergleichen auskommt. Demzufolge fanden mechanisch angetriebene Schraubenspindelpumpen bislang vornehmlich Einsatz in großdimensionierten Anwendungen, wie z.B. Ölpumpen in stationären Anlagen oder Schiffsmotoren, in denen sie bei relativ konstanten Betriebspunkten laufen.
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Im Bereich der Kraftstoffförderpumpen von Fahrzeugen sind in letzter Zeit kleiner dimensionierte, elektrisch angetriebene Schraubenspindelpumpen bekannt geworden, die höhere Drücke als Kreiselpumpen ermöglichen. Diese werden in einer Tauchanordnung im Fahrzeugtank installiert und stellen in der Kraftstoffstrecke einen hohen Eingangsdruck vor der Hochdruckpumpe bzw. Einspritzpumpe bereit. Der elektrische Antrieb derartiger Kraftstoffförderpumpen ist als nasslaufender Elektromotor ohne Spalttopf ausgeführt, sodass sowohl der Rotor als auch der Stator mit dem Kraftstoff in Kontakt stehen. Die Temperatur des aus dem Tank geförderten Kraftstoffs entspricht in der Regel einer Umgebungstemperatur des Fahrzeugs. Infolgedessen wird der Antrieb, der sich aus elektrischer Verlustleistung erwärmt, in derartigen Kraftstoffförderpumpen problemlos gekühlt.
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So beschreibt die
US 2018/0216614 A1 eine Schraubenspindelpumpe, die als Kraftstoffpumpe vorgesehen ist. An einem Gehäuse der Schraubenspindelpumpe ist eine Abdeckung mit einem axialen Auslass angebracht. Der elektrische Motor ist in einer Auslasskammer der Abdeckung aufgenommen und wird von dem Kraftstoff durchströmt bevor er den Auslass verlässt.
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Die
DE 10 2015 101 443 B3 beschreibt eine Kraftstoffpumpe mit einem Gehäuse, in dem ein elektrischer Antriebsmotor mit einer Schraubenspindelpumpe gekoppelt ist. Der Kraftstoff durchströmt den Antriebsmotor bevor er den druckseitigen Auslass verlässt.
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Die
WO 2014/138519 A1 offenbart eine elektrische Flüssigkeitspumpe vom Schraubenspindeltyp. Die Flüssigkeit, die durch einen Einlass und einen Auslass fließt, umgibt auch den Motor. Als Flüssigkeit wird ein Kraftstoff genannt. Eine Flanschebene, die in der dargestellten Konstruktion zwischen einem motorseitigen Gehäuseteil und einem pumpenseitigen Gehäuseteil eingezeichnet ist, verläuft zwischen dem Motor und einem pumpenseitigen Auslass.
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Die
DE 10 2017 210 771 A1 zeigt eine elektrisch angetriebene Schraubenspindelpumpe als Kraftstoffförderaggregat. Ein Pumpengehäuse und ein Elektromotor sind in einem Mantel aufgenommen. In der dargestellten Ausführung, die keinen Spalttopf am Stator des Elektromotors aufweist, stehen die elektrischen Bauteile des Motors innerhalb einer Auslassführung auf einer Druckseite der Spindelkammer in direktem Kontakt mit dem Kraftstoff.
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Die obengenannten Pumpen sind jedoch nicht auf eine Anwendung als elektrische Wasserpumpe, insbesondere nicht als elektrische Kühlmittelpumpe übertragbar. Ein flüssiges Fördermedium wie ein Kühlmittel würde die freiliegenden Bauteile des Elektromotors, insbesondere die Spulenwicklungen des Stators korrosiv schädigen.
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Die
US 6,371,744 B1 beschreibt eine elektrische Vakuumpumpe vom Schraubenspindeltyp. Die Schraubenspindeln werden von einem Elektromotor angetrieben, der in einem separaten Gehäuse angeordnet ist.
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Unabhängig von spezifischen Modifikationen zwischen einer Schraubenspindelpumpe für Gase und einer solchen für Flüssigkeiten, wäre die genannte Vakuumpumpe nicht auf eine Anwendung als elektrische Kühlmittelpumpe übertragbar. Bei der dargestellten Anordnung könnte keine ausreichende Kühlung eines trockenlaufenden Elektromotors sichergestellt werden. In einem unter Druck stehenden Kühlmittelkreislauf kann eine Solltemperatur eines Kühlmittels in dem Bereich der Siedetemperatur des Kühlmittels liegen. In diesem Fall würde es im Dauerbetrieb zu Überhitzungsschäden von elektrischen oder elektronischen Bauteilen kommen.
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Ausgehend von den bekannten elektrischen Schraubenspindelpumpen aus dem Stand der Technik, die nicht für eine Anwendung als Kühlmittelpumpe geeignet sind, besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine elektrische Schraubenspindelpumpe zu schaffen, die zum Fördern von korrosiven, flüssigen Medien geeignet ist und eine Kühlung des elektrischen Antriebs bereitstellt.
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Ein weiterer Teilaspekt der Aufgabenstellung besteht ferner darin, eine entsprechende technische Lösung derart bereitzustellen, dass sie sich auch in einer Serienfertigung von großen Stückzahlen kostengünstig realisieren lässt.
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Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die erfindungsgemäße elektrische Schraubenspindel-Kühlmittelpumpe zur Förderung eines Kühlmittelkreislaufs zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass ein Motorgehäuse eine Motorkammer umfasst, in der ein trockenlaufender Elektromotor zu dem Förderstrom abgegrenzt angeordnet ist; und dass das Motorgehäuse einen von dem Förderstrom durchflossenen Wärmeübergangsabschnitt aufweist, der zwischen der Motorkammer und einer Bauteilgrenze des Motorgehäuses zu einem Spindelgehäuse angeordnet ist.
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Somit sieht die Erfindung erstmals eine Schraubenspindelpumpe als Kühlmittelpumpe vor.
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Ferner sieht die Erfindung erstmals eine Schraubenspindelpumpe als eine elektrische Flüssigkeitspumpe vor, die von einem trockenlaufenden Elektromotor angetrieben wird.
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Darüber hinaus sieht die Erfindung erstmals eine Schraubenspindelpumpe als eine elektrische Flüssigkeitspumpe vor, in der ein konvektionsunterstützter Wärmeübergang von einer trockenen Motorkammer auf einen Förderstrom des flüssigen Fördermediums bereitgestellt ist.
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Durch die vorliegende Erfindung wird eine Kühlmittelpumpe mit einer hohen Leistungsdichte geschaffen. Die Schraubenspindelpumpe verschafft den hohen Förderdruck einer Verdrängerpumpe, allerdings bei einer relativ geringen Pulsation, ähnlich wie bei einer Kreiselpumpe. In Verbindung mit einem elektrischen Antrieb ermöglicht die Schraubenspindelpumpe universelle Installationen und Anwendungen. Die erfindungsgemäße elektrische Schraubenspindel-Kühlmittelpumpe eignet sich beispielsweise zum Einsatz in elektrischen, insbesondere batterieelektrischen Fahrzeugen, in denen keine mechanische Antriebsquelle bereitgestellt ist, und eine verzweigte Struktur von dünnen bzw. kapillaren Kühlkanälen in einem Batteriemodul oder einem Traktionsmotor einen hohen Förderdruck erfordert.
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In konstruktiver Hinsicht liegt der Erfindung ein Prinzip zugrunde, eine axiale Position einer Bauteilgrenze zwischen einem Motorgehäuse und einem Spindelgehäuse, von einer herkömmlichen funktionalen Position weiter in Richtung der Spindelkammer zu verlegen. Dadurch wird einerseits ein vor der Flüssigkeit des Förderstroms geschützter Bereich geschaffen, sodass der elektrische Antrieb keinen korrosiven Einflüssen ausgesetzt ist. Andererseits wird durch den Wärmeübergangsabschnitt ein flüssigkeitsführender Bereich an dem Motorgehäuse geschaffen, der eine innenliegende thermische Kontaktfläche mit dem Kühlmittel vergrößert. Über einen Wärmeaustausch an der so entstandenen thermischen Kontaktfläche des wärmeleitenden Motorgehäuses sowie einer Konvektion des Förderstroms, kann selbst bei einer geringen Temperaturdifferenz zwischen dem elektrischen Antrieb und dem Kühlmittel Abwärme aus elektrischer Verlustleistung effektiv aus der Pumpe abtransportiert werden.
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Die Vergrößerung der thermischen Kontaktfläche wird ohne eine höhere Komplexität des Aufbaus, wie in Form von oberflächenvergrößernden Strukturen, Strömungswiderständen oder dergleichen erzielt. Das Motorgehäuse wird in der Produktentwicklung als Gussteil entworfen. Demzufolge kann die geänderte Bauteilgrenze ohne nennenswerten Aufwand oder Erhöhung der Fertigungskosten an dem erfindungsgemäßen Pumpenaufbau umgesetzt werden. Aufgrund einer komplementären Verlegung der Bauteilgrenze des Spindelgehäuses entsteht trotz einer vergrößerten axialen Abmessung des Motorgehäuses im Wesentlichen keine nachteilige Vergrößerung der Gesamtabmessung der Pumpe.
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Im Vergleich zu einem bekannten Pumpenaufbau mit einem im Förderstrom freiliegenden, nasslaufenden elektrischen Antrieb, werden Strömungsverluste in der Pumpe deutlich verringert.
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Im Zuge der erläuterten Verlegung der Bauteilgrenze entsteht am Ende des Spindelgehäuses ein offener Querschnitt der Spindelkammer. Daher können die Schraubenspindeln bei der Montage der Pumpe einfach durch das offene Ende der Spindelkammer eingeführt werden.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann der Wärmeübergangsabschnitt ferner den Pumpenauslass umfassen. Dadurch wird der Strömungsquerschnitt des gesamten Förderstroms an der Motorkammer vorbei geführt. Die Innenfläche des Pumpenauslasses an dem Wärmeübergangsabschnitt vergrößert die thermische Kontaktfläche des wärmeleitfähigen Motorgehäuses mit dem Förderstrom nochmals erheblich.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann der Wärmeübergangsabschnitt eine Förderstromkammer umfassen, die eine Verbindung zwischen der stirnseitigen Abgrenzung der Motorkammer und der Spindelkammer herstellt. Durch diese Ausgestaltung wird die Wärmeübergangsstrecke des wärmeleitfähigen Motorgehäuses zwischen den elektrischen Wärmequellen in der Motorkammer und dem Förderstrom weiter verkürzt. Ferner vergrößert die Innenfläche der Förderstromkammer in dem Wärmeübergangsabschnitt weiterhin die thermische Kontaktfläche des wärmeleitfähigen Motorgehäuses mit dem Förderstrom.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann der Wärmeübergangsabschnitt einen Lagersitz für ein Wellenlager umfassen, das zwischen dem Elektromotor und den Schraubenspindeln angeordnet ist. Die Oberfläche des Lagersitzes in dem Wärmeübergangsabschnitt vergrößert wiederum die thermische Kontaktfläche des wärmeleitfähigen Motorgehäuses mit dem Förderstrom. Darüber hinaus begünstigt die Integration eines Wellenlagers in dem axialen Bereich des Wärmeübergangsabschnitts eine kompakte Bauweise der Pumpe.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann auch eine Elektronik für den Elektromotor in der Motorkammer angeordnet sein. Demnach wird eine weitere Wärmequelle in die erfindungsgemäße Kühlung des elektrischen Antriebs aufgenommen. Auf diese Weise wird auch die Verlustleistung aus einer Leistungselektronik über den Förderstrom abgeführt.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung können ein Stator und/oder eine Elektronik des Elektromotors in dem Motorgehäuse mit einer stirnseitigen Abgrenzung der Motorkammer in Kontakt stehen. Somit wird eine möglichst kurze Wärmeübergangsstrecke des wärmeleitfähigen Motorgehäuses zwischen den elektrischen Wärmequellen in der Motorkammer und dem Förderstrom sichergestellt.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann der Wärmeübergangsabschnitt einteilig mit dem Motorgehäuse ausgebildet sein. Dadurch werden eine optimierte Wärmeübergangsstrecke ohne Grenzflächen oder Fugen im Material sowie möglichst geringe Herstellungskosten des Motorgehäuses sichergestellt.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann das Spindelgehäuse einteilig ausgebildet sein. Wie zuvor erläutert, entsteht durch die Verlegung der Bauteilgrenze zwischen dem Motorgehäuse und dem Spindelgehäuse ein offener Querschnitt der Spindelkammer. Dadurch ist sowohl zur Montage der Pumpe als auch zur Fertigung des Formkörpers des Spindelgehäuses keine Teilung in zwei Gehäusehälften erforderlich. Die einteilige Ausführung des Spindelgehäuses stellt ohne erforderliche Nachbearbeitung eine stoßfreie Innenkontur der Spindelkammer sicher. Die Innenkontur der Spindelkammer kann einfach und präzise durch Bohrungen hergestellt werden.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann das Spindelgehäuse den Pumpeneinlass umfassen. Das Spindelgehäuse wird in der Produktentwicklung als Gussteil entworfen. Demzufolge kann durch die Integration des Pumpeneinlasses, die Anzahl der Bauteile des erfindungsgemäßen Pumpenaufbaus ohne nennenswerten Aufwand verringert werden.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann an der Bauteilgrenze zwischen dem Motorgehäuse und dem Spindelgehäuse eine Flanschverbindung aus einem Flanschabschnitt des Motorgehäuses und einem Flanschabschnitt des Spindelgehäuses ausgebildet sein. Die Flanschverbindung ermöglicht eine bevorzugte Schraubverbindung zur Montage der beiden Gehäusebauteile, während eine entsprechende Flanscheben verschiedene Arten der Abdichtung zulässt.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Ausführungsform mit Bezug auf die begleitende Zeichnung beschrieben.
- 1 zeigt eine schematische Schnittansicht durch eine Schraubenspindel-Kühlmittelpumpe gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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Unter dem Begriff Schraubenspindelpumpe werden im Sinne dieser Offenbarung schrägverzahnte Rotationskolbenpumpen mit einer Gewindesteigung zur Verdrängung des Fördermediums verstanden. Derartige Pumpentypen umfassen in der Regel eine angetriebene Schraubenspindel 2a und wenigstens eine weitere Schraubenspindel 2b, die über einen Eingriff der Verzahnung mitgeschleppt wird.
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In der Ausführungsform der schematischen Darstellung aus 1 sind in einem Spindelgehäuse 1 eine angetriebene Schraubenspindel 2a und eine mitgeschleppte Schraubenspindel 2b in einer Spindelkammer 10 des Spindelgehäuses 1 drehbar gelagert aufgenommen. Die Spindelkammer 10 weist eine Querschnittskontur in der Form eines sogenannten Achtergehäuses auf, d.h. sie wird durch zwei Bohrungen im Pumpengehäuse 1 gebildet, deren Radien sich überschneiden, um einen Eingriff der Schraubenspindeln 2a, 2b zu gewährleisten. Die angetriebene Schraubenspindel 2a steht mit einem Elektromotor 4 in Verbindung.
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Zu der Antriebsseite der Schraubenspindeln 2a, 2b befindet sich eine Druckseite der Spindelkammer 10, die mit einem Pumpenauslass 13 in Form eines Druckstutzens in Verbindung steht. Zu der anderen Seite der Schraubenspindeln 2a, 2b, die dem Elektromotor 4 gegenüberliegt, befindet sich eine Saugseite der Spindelkammer 10. Die Saugseite der Spindelkammer 10 steht mit einem Pumpeneinlass 11 in Form eines Saugstutzens in Verbindung. In Betrachtung der Förderrichtung der Schraubenspindelpumpe, wird ein flüssiges Fördermedium bzw. ein Kühlmittel aus einem Kühlmittelkreislauf durch den Pumpeneinlass 11 auf der Saugseite in die Spindelkammer 10 eingesaugt. Eine Drehbewegung von in Eingriff stehenden Schraubenprofilen der drehenden Schraubenspindeln 2a, 2b erzeugt auf der Saugseite der Spindelkammer 10 einen Unterdruck und auf der gegenüberliegenden Druckseite der Spindelkammer 10 einen Überdruck. Das Fördermedium wird durch eine kontinuierliche Verdrängung entlang einer Schraubensteigung der in Eingriff stehenden Schraubenprofile gefördert und durch den Pumpenauslass 13 aus der Spindelkammer 10 ausgestoßen.
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Zu der Druckseite der Spindelkammer 10 schließt sich ein Motorgehäuse 3 an das Spindelgehäuse an. Das Motorgehäuse 3 weist einen Flanschabschnitt 35 auf, der zu einem Flanschabschnitt 15 des Spindelgehäuses 1 passend ausgebildet ist. Die Flanschverbindung ist durch eine Dichtung abgedichtet. In dem Motorgehäuse 3 ist eine abgetrennte Motorkammer 30 ausgebildet, in welcher der trockenlaufende Elektromotor 4 und eine Elektronik, insbesondere eine Leistungselektronik (nicht dargestellt) zur Schaltung der elektrischen Leistung am Elektromotor 4 aufgenommen ist. Ein offenes Ende der Motorkammer 30 ist durch einen Motordeckel (nicht dargestellt) abgeschlossen. In dem Motorgehäuse 3 ist ein kragenförmiger Lagersitz 32 mit einer Durchtrittsöffnung in einer stirnseitigen Begrenzung der Motorkammer 30 ausgebildet. In dem Lagersitz 32 ist ein gemeinsames Wellenlager 23 des Elektromotors 4 und der angetriebenen Schraubenspindel 2a eingepasst. Vor dem Wellenlager 23 ist eine Wellendichtung 34 in den Lagersitz 32 eingepasst, der die Motorkammer 30 vor einem Flüssigkeitseintritt abdichtet.
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Der trockenlaufende Elektromotor 4 ist ein Innenläufertyp mit einem innenliegenden Rotor 42 und einem außenliegenden Stator 41. Der Rotor 42 ist mit der angetriebenen Schraubenspindel 2a gekoppelt. Der Stator 41 umfasst Feldspulen, die von der Leistungselektronik angesteuert und mit elektrischer Leistung versorgt werden. Der Stator 41 des Elektromotors 4 steht mit einer innenliegenden Umfangsfläche und mit einer stirnseitigen Begrenzungsfläche der Motorkammer 30 in einem thermischen Kontakt, sodass eine Abwärme aus den Feldspulen des Stators 41 auf das Motorgehäuse 3 übertragen wird.
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Das Motorgehäuse 3 besteht aus einem metallischen Material mit einer guten Wärmeleitfähigkeit, wie einer Aluminiumgusslegierung, und ist als einteiliges Gussformteil ausgebildet. In einem axialen Abschnitt zwischen der Motorkammer 30 und dem Flanschabschnitt 35 erstreckt sich ein Wärmeübergangsabschnitt 31 des Motorgehäuses 3. Als integraler Bestandteil des Wärmeübergangsabschnitts 31 ist der Pumpenauslass 13 in Form eines radial abführenden Druckstutzens zwischen der Motorkammer 30 und der Spindelkammer 10 angeordnet. Innerhalb des Wärmeübergangsabschnitts 31 ist eine Förderstromkammer 33 ausgebildet, die von dem flüssigen Fördermedium durchflossen wird. Die Förderstromkammer 33 stellt für den Förderstrom der Pumpe eine Verbindung zwischen der Druckseite der Spindelkammer 10 und dem Pumpenauslass 13 her. Die Förderstromkammer 33 umgibt den kragenförmigen Lagersitz 32 und führt das unter Druck stehende, flüssige Fördermedium an die stirnseitige Begrenzung der Motorkammer 30 heran, mit welcher der Stator 41 in einem thermischen Kontakt steht.
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Der Wärmeübergangsabschnitt 31 stellt denjenigen Bereich des wärmeleitfähigen Materialvolumens am Motorgehäuse 3 dar, der an einer Ableitung von Abwärme aus der Motorkammer 30 in den Förderstrom maßgeblich involviert ist. Die Innenfläche des Pumpenauslasses 13, die Innenfläche der Förderstromkammer 33 und die Oberfläche des Lagersitzes 32 tragen jeweils zu einer Vergrößerung der thermischen Kontaktfläche zwischen der Motorkammer 30 und dem Förderstrom innerhalb des Wärmeübergangsabschnitts 31 bei.
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Durch den optimierten Wärmeübergang wird eine Temperaturdifferenz zwischen einem Kühlmittel und der Motorkammer 30 begrenzt. Infolgedessen wird auch unter hohen Belastungen mit einer hohen Betriebstemperatur eines Kühlmittelkreislaufs, eine kritische Bauteiltemperatur des elektrischen Antriebs, bei der Überhitzungsschäden an Wicklungsisolationen des Stators 41 oder der Elektronik auftreten können, zuverlässig verhindert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Spindelgehäuse
- 2a
- angetriebene Schraubenspindel
- 2b
- mitgeschleppte Schraubenspindel
- 3
- Motorgehäuse
- 4
- Elektromotor
- 10
- Spindelkammer
- 11
- Pumpeneinlass
- 13
- Pumpenauslass
- 15
- Flanschabschnitt des Spindelgehäuses
- 23
- Wellenlager
- 30
- Motorkammer
- 31
- Wärmeübergangsabschnitt
- 32
- Lagersitz
- 33
- Förderstromkammer
- 34
- Wellendichtung
- 35
- Flanschabschnitt des Motorgehäuses
- 41
- Stator
- 42
- Rotor
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2018/0216614 A1 [0004]
- DE 102015101443 B3 [0005]
- WO 2014/138519 A1 [0006]
- DE 102017210771 A1 [0007]
- US 6371744 B1 [0009]
