DE102020105337B4 - Thermally optimized coolant pump - Google Patents
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Abstract
Elektrische Kühlmittelpumpe, aufweisend:ein Pumpengehäuse (1) mit einem Spiralgehäuseabschnitt (14), der eine Pumpenkammer (10) umgibt und zu einem Auslass führt, 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 Pumpenlaufrad (4) in der Pumpenkammer (10) antreibt; undein 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, dassdas Antriebsgehäuse (2) einen zentralen Lageraufnahmeabschnitt (25) aufweist, in dem ein Wellenlager (52) aufgenommen ist, und das Antriebsgehäuse (2) den Lageraufnahmeabschnitt (25) integral ausgebildet aufweist;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; wobeidie Wärmeableitwand (6) zu einer offenen Querschnittsfläche der Pumpenkammer (10) und einer offenen Querschnittsfläche des Spiralgehäuseabschnitts (14) freiliegt; unddie Wärmeableitwand (6) eine geringere flächenbezogene Wärmespeicherkapazität als der Lageraufnahmeabschnitt (25), der Spiralgehäuseabschnitt (14) und die Flanschabschnitte (12, 21) aufweist.An electric coolant pump comprising: a pump housing (1) having a volute section (14) surrounding a pump chamber (10) and leading to an outlet, and a central inlet (11); the pump housing (1) having an open side surrounded by a flange portion (12);a dry-running electric motor (3) driving a pump impeller (4) in the pump chamber (10) via a shaft (5); anda drive housing (2) accommodating an electric motor (3) and power electronics (30) and having an open side surrounded by a flange portion (21); characterized in thatthe drive housing (2) has a central bearing receiving section (25) in which a shaft bearing (52) is received, and the drive housing (2) has the bearing receiving section (25) formed integrally;a heat dissipation wall separate from the drive housing (2). (6) is provided which delimits the electric motor (3) from the pump housing (1) and is in thermal contact with the power electronics (30); whereinthe heat dissipation wall (6) is exposed to an open cross-sectional area of the pump chamber (10) and an open cross-sectional area of the volute portion (14); and the heat dissipation wall (6) has a smaller heat storage capacity per unit area than the bearing receiving portion (25), the volute portion (14) and the flange portions (12, 21).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Kühlmittelpumpe mit einer optimierten Konstruktion in Bezug auf eine thermisch kritische Leistungselektronik eines Elektromotors.The present invention relates to an electric coolant pump with an optimized design with regard to thermally critical power electronics of an electric motor.
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.Due to the flexible control options, electric coolant pumps are preferably used for the thermal management of combustion engines in vehicle construction. The coolant pump is exposed to numerous environmental influences in the engine compartment of a vehicle, such as temperature fluctuations, moisture and dirt. For this reason, coolant pumps, including the electric drive, are designed in an outwardly closed or encapsulated design that is sealed against external influences.
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.When using an electric motor as a pump motor, this is usually encapsulated together with power electronics in order to protect the same from external corrosive influences and contamination during operation. Due to the joint encapsulation of the electric motor and the power electronics, the waste heat from the electric motor, which is associated with its power loss, cannot be dissipated by an air flow as in other applications. As a result, part of the waste heat from the electric motor flows directly into the electronic components of the power electronics of the coolant pump as heat input.
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.In a suitable electric pump motor, the power loss is up to about 20% of the electric power, so that in a pump motor with 500 W, such as is used in a coolant pump of a coolant circuit in a car. Depending on the design of the electric motor, heat input of up to 100 W can occur in full-load operation, which the coolant pump absorbs in addition to the waste heat from the coolant. The field coils of the stator can thus reach temperatures of up to 200 °C.
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.Coolant pumps are known in the prior art that use heat exchange with the coolant of the internal combustion engine to maintain the permissible operating temperature of the electronic components. The coolant has a much higher thermal conductivity coefficient of around 0.441 W/mK compared to air with 0.0262 W/mK. In addition, it maintains a defined temperature range during operation of the coolant circuit, whereas the temperature of the air varies greatly depending on the environment, in particular the internal combustion engine, and possibly a movement speed.
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 Fahrbetrieb 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.Efforts have been made in various constructive configurations to integrate the power electronics into a heat exchange with the coolant that is conveyed by the coolant pump. When driving, the coolant assumes a target temperature of around 110 °C and can briefly rise to 120 °C or up to 130 °C under special load conditions. At a temperature of just a few tens of degrees above this, electronic components are already damaged. As long as the temperature profile of the power electronics remains closely linked to the temperature profile of the coolant, the power electronics can be prevented from overheating. For this purpose, however, an efficient heat transfer must be created so that in load states there is only a small temperature difference between the power electronics and the coolant.
Ein Beispiel aus dem Stand der Technik, das die Problemstellung eines Wärmeaustauschs zwischen einer Leistungselektronik einer Kühlmittelpumpe und dem geförderten Kühlmittelstrom aufgreift, ist in der
Die Patentanmeldung
Die japanische Patentanmeldung
Die Veröffentlichungsschrift
Die
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.One object of the present invention is to create an alternative design for an electric coolant pump with a dry-running electric motor that provides improved temperature control of power electronics.
Die Aufgabe wird durch eine elektrische Kühlmittelpumpe mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 1 gelöst.The task is solved by an electric coolant pump with the features of main claim 1 .
Die elektrische Kühlmittelpumpe zeichnet sich dadurch aus, dass ein Antriebsgehäuse einen zentralen Lageraufnahmeabschnitt aufweist, in dem ein Wellenlager aufgenommen ist, und das Antriebsgehäuse den Lageraufnahmeabschnitt integral ausgebildet aufweist; 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.The electric coolant pump is characterized in that a drive housing has a central bearing accommodating portion in which a shaft bearing is accommodated, and the drive housing has the bearing accommodating portion formed integrally; and furthermore, a heat dissipation wall that is separate from the drive housing is provided, which delimits the electric motor from the pump housing and is in thermal contact with the power electronics. The heat dissipation wall is exposed to an open cross-sectional area of the pump chamber and an open cross-sectional area of the volute portion. In particular, the heat dissipation wall has a smaller heat storage capacity per unit area than the bearing receiving section, the spiral housing section and the flange sections.
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.The invention provides for the first time a separate wall for delimiting a liquid-carrying area, through which a shaft of a dry-running drive passes, and which is neither designed as an integral part of the drive housing or the pump housing nor fulfills a supporting function in the housing construction. The invention also provides for the first time in a cross section of the pump impeller a separate wall for delimiting the pump chamber, which has a lower surface-related heat storage capacity than adjacent housing sections.
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.In the broadest form of the invention, the construction of the pump housing does not follow a conventional design approach that involves integration of elements to achieve a reduced number of components and seals. Instead, the design of the pump housing follows an approach of assigning a function to individual elements or sections of the housing and, if necessary, separating them from a conventional design and designing them with a structure optimized for the assigned function.
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.Furthermore, with regard to thermal optimization of a housing construction for electric drive components, there is the general knowledge that improved heat dissipation from the electric drive can be achieved by the best possible specific thermal conductivity (λ=m/K) of a housing material. This property is known, for example, from aluminum heat sinks. According to this general knowledge, it is sufficient to design load-bearing elements solidly, i.e. in particular without insulating cavities, and to manufacture them from aluminum or an aluminum die-cast alloy.
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.In the case of a flow, which usually provides a very large mass flow with a high heat storage coefficient s [kJ/m 3 K] for heat dissipation and convection for heat absorption at an interface, other factors come into play.
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 Wärmeaufnahme 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.In contrast to this, the invention is based on the finding that improved dynamic heat dissipation in operating states of increasing electrical power can be achieved in particular by a lower thermal resistance in a heat conduction section between the heat source and the flow in a housing. Such thermal resistance not only depends on a specific thermal conductivity of the material, but also on a surface-related heat storage capacity (χ = c/A) of the housing, which relates to a specific heat storage capacity c [kJ/kg K] of the housing mass within a heat conduction path refers to a cross-sectional area A of a heat flow. As long as there is sufficient heat absorption and heat dissipation in the form of mass flow on one side, the heat storage capacities of the housing within the heat conduction path represent an inertia as a component of thermal resistance, i.e. a retarding intermediate storage in a dynamic heat flow.
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.Housings are typically manufactured as castings, the complex shaping of which combines various elements and points of demarcation, housing, attachment, etc. into an integral body. With regard to pumps, components and sealing points can be saved as a result. Housing walls, which serve to delimit a liquid-carrying area of a pump and have an opening for a shaft, are always solid due to the casting technology and have functional shaped sections for fastening or receiving a seal or a bearing or another supporting function. Furthermore, these housing walls are conventionally made of the same material as surrounding housing walls with a different function.
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 Wellendurchbruch 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.According to the invention, the housing is divided into separate sections. The drive housing assumes the supporting functions of accommodating the electric motor and fixing the shaft. The separately designed heat dissipation wall assumes the function of a boundary between the liquid-carrying area in the pump housing and the drive housing. As a result, there is indeed a component that requires additional sealing around a shaft breakthrough. However, this makes it possible to avoid casting the heat dissipation wall and equip it with its own properties. According to the invention, a different quality of the heat dissipation wall in contrast to the other adjacent housing sections is designed in such a way that it has a lower area-specific heat storage capacity (χ=c/A). The reduced heat storage capacity ensures faster heat dissipation for a heat source that is in thermal contact with the heat dissipation wall.
Die Erfindung sieht ferner vor, als Wärmequelle seitens des elektrischen Antriebs die Leistungselektronik für einen bürstenlosen Elektromotor, die Feldeffekttransistoren 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 Wärmeaufnahme und Wärmeabfuhr durch den Förderstrom erfolgen kann.The invention also provides, as a heat source on the part of the electric drive, for the power electronics for a brushless electric motor, which includes field-effect transistors and capacitors with a high power consumption, to be in thermal contact with the heat dissipating wall. This provides faster heat dissipation of dynamic heat flows from power loss of the power electronics, so that with increasing load conditions, waste heat is less temporarily stored by the housing, but rather heat can be absorbed and dissipated as directly as possible by the flow.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.Advantageous developments of the invention are the subject matter of the dependent patent claims.
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.According to an aspect of the invention, the heat dissipation wall can have a smaller wall thickness than the bearing receiving section, the volute section and the flange sections. A smaller wall thickness is the easiest way to shorten the length of the heat dissipation section, i.e. to reduce a mass per unit area and thus also a heat storage capacity per unit area of the heat dissipation wall within a heat conduction section.
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.According to one aspect of the invention, the heat dissipation wall can be designed as a metal sheet with a wall thickness of 0.2 to 1.5 mm. According to conventional expectations of the construction of a housing wall for defining a pressure side of a pump over an entire cross-section of a pump housing, such a thin metal sheet would be unsuitable, particularly in the present case of a planar extension without stiffening structures. The configuration of the drive housing according to the invention, on which a flange section and a bearing receiving section arranged centrally therein with a load-bearing function are formed, makes it possible to use such a thin metal sheet only in terms of construction. The thin design of the wall thickness extends a suitable selection of materials to metals that have a lower specific thermal conductivity than aluminum. For example, instead of an aluminum sheet, a stainless steel sheet or one protected against corrosion can also be used, which due to the small wall thickness still has a lower area-related heat storage capacity than a comparatively solid housing wall made of an aluminum cast alloy or as a milled aluminum part.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann sich die Wärmeableitwand 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 Lageraufnahmeabschnitt mit tragender Funktion ausgebildet sind, konstruktiv ermöglicht. Eine ebene Wärmeableitwand enthält keine Strömungshindernisse seitens des Spiralgehäuses sowie der rückwärtigen Pumpenkammer hinter dem Pumpenlaufrad.According to one aspect of the invention, the heat dissipation wall can extend essentially flat in an axial area between the flange section of the pump housing and the flange section of the drive housing. A planar extension without stiffening structures is structurally made possible by the design of the drive housing according to the invention, on which a flange section and a bearing receiving section arranged centrally therein and having a load-bearing function are formed. A flat heatsink contains no flow obstructions from the volute and the rear pump chamber behind the pump impeller.
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.According to one aspect of the invention, the heat dissipation wall can be fixed in a flange plane between the flange portion of the pump housing and the flange portion of the drive housing. This configuration simplifies the design of an external fixing and sealing of the heat dissipation wall by using existing fastening structures.
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.According to one aspect of the invention, the heat dissipation wall can be in direct thermal contact with a surface of a rear side of a printed circuit board for the power electronics. This configuration represents a surface-optimized thermal connection of the power electronics. For this purpose, for example, thermally conductive paste can be applied to support full-area contact during assembly.
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.According to one aspect of the invention, at least one metallized surface can be arranged on a back side of a printed circuit board, by means of which a thermal contact is provided between the heat dissipating wall and the back side of the printed circuit board. On the part of the power electronics, this configuration represents a means with optimized thermal conductivity for the thermal connection of the printed circuit board.
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 Leistungselektronik bereitgestellt 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.According to one aspect of the invention, at least one metallized hole can be arranged in a printed circuit board of the power electronics, which extends from a back through the printed circuit board to an assembly side, whereby thermal contact between the heat dissipating wall and an electrical component of the power electronics is achieved via the at least one metalized hole is provided. In terms of power electronics, this configuration represents a means with optimized thermal conductivity, by means of which a thermal connection of a transistor, a capacitor, or the like is produced on the component side of the printed circuit board that is opposite the heat dissipation wall.
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.According to one aspect of the invention, at least one opening can be arranged in a printed circuit board of the power electronics, and a metallic component can extend from a rear side through the opening to an assembly side of the printed circuit board, whereby thermal contact between the heat dissipating wall and an electrical component is established via the metallic component the power electronics is provided. This configuration represents a means with optimized thermal conductivity, by means of which a thermal connection of a transistor, a capacitor, or the like is produced on the component side of the printed circuit board that is opposite the heat dissipation wall.
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.According to one aspect of the invention, the heat dissipation wall can have pronounced sections that are in thermal contact with a rear side of a printed circuit board of the power electronics. This variant provides for the first time on the part of the heat dissipation wall configurations of the same that produce a direct thermal connection of the circuit board to the heat dissipation wall in sections, e.g. in areas of transistors, a capacitor, or the like.
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 herstellt.According to one aspect of the invention, the heat dissipation wall can have a pronounced section and an opening can be arranged in a printed circuit board for power electronics, the pronounced section extending from a rear side of the printed circuit board through the opening to an assembly side of the printed circuit board, thereby creating direct thermal contact between the heat dissipation wall and an electrical component of the power electronics is provided. For the first time, this preferred variant provides for the heat dissipation wall to be designed in such a way that it extends through the printed circuit board and thus produces a direct thermal connection of a transistor, a capacitor, or the like to the heat dissipation wall.
Nachfolgend wird eine Ausführungsform der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
-
1 einen Querschnitt durch einen Aufbau einer elektrischen Kühlmittelpumpe gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; -
2 eine perspektivische Draufsicht auf die Wärmeableitwand in einem Montagezustand der elektrischen Kühlmittelpumpe gemäß der Ausführungsform der Erfindung; -
3 eine perspektivische Draufsicht auf die Leiterplatte in einem Montagezustand der elektrischen Kühlmittelpumpe gemäß der Ausführungsform der Erfindung; und -
4 eine perspektivische Draufsicht in das Antriebsgehäuse mit einem montierten Elektromotor der elektrischen Kühlmittelpumpe gemäß der Ausführungsform der Erfindung.
-
1 a cross section through a structure of an electric coolant pump according to an embodiment of the invention; -
2 a perspective plan view of the heat dissipation wall in an assembled state of the electric coolant pump according to the embodiment of the invention; -
3 a perspective plan view of the circuit board in an assembly state of the electric coolant pump according to the embodiment of the invention; and -
4 a perspective top view of the drive housing with a mounted electric motor of the electric coolant pump according to the embodiment of the invention.
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.A
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 Lageraufnahmeabschnitt 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 Pumpenlaufrad 4 drehfest fixiert. Auf einem Abschnitt der Welle 5, der zu dem Motordeckel 7 gerichtet ist, ist ein Rotor des Elektromotors 3 drehfest fixiert.A central
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.The
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 Lageraufnahmeabschnitts 25.To cool the electrical components, a rear side of the printed circuit board of the
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.The
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 Strömungshindernisse 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 sickenförmige Ausformung 63 auch größer bzw. breiter ausgeführt werden, als dargestellt.On an outer edge, the
Die Wärmeableitwand 6 ist aus einem Metallblech mit einer Wandstärke von ca. 1,0 mm gefertigt. Im Vergleich zu den Wandabschnitten 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.The
Nachfolgend werden alternative Ausführungsformen zur Ausgestaltung eines thermischen Kontakts genannt.Alternative embodiments for designing a thermal contact are mentioned below.
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 the illustrated embodiment of the invention, the printed circuit board of the
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 non-illustrated embodiments of the invention, additional means can also be provided to support heat dissipation between the
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 a further embodiment of the invention, which is not shown, instead of the metal connections, embossed sections are formed in the
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 Bestückungsseite 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.In a preferred embodiment of the invention that is not shown, a section that is stamped out by forming is formed in the
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Pumpengehäusepump housing
- 22
- Antriebsgehäusedrive housing
- 33
- Elektromotorelectric motor
- 44
- Pumpenlaufradpump impeller
- 55
- WelleWave
- 66
- Wärmeableitwandheat dissipation wall
- 77
- Motordeckelengine cover
- 1010
- Pumpenkammerpump chamber
- 1111
- Einlassinlet
- 1212
- Flanschabschnittflange section
- 1414
- Spiralgehäuseabschnittvolute section
- 2121
- Flanschabschnittflange section
- 2222
- Gehäusesteghousing bar
- 2323
- Gehäusewandhousing wall
- 2525
- LageraufnahmeabschnittBearing Receptacle Section
- 2626
- Kragencollar
- 3030
- Leistungselektronikpower electronics
- 3535
- Anschlusssteckerconnector plug
- 5252
- Wellenlagershaft bearing
- 6060
- Umformungsabschnittreshaping section
- 6161
- Dichtungpoetry
- 6262
- Dichtungpoetry
- 6363
- Ausformungmolding
- 6565
- Dichtungpoetry
- 7272
- Dichtungpoetry
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