-
Die Erfindung betrifft eine Wasserpumpe für eine Kühleinrichtung eines Brennstoffzellensystems und zum Fördern von Wasser, insbesondere von Kühlwasser. Die Erfindung betrifft weiterhin eine solche Kühleinrichtung sowie ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Kühleinrichtung und mit einem Brennstoffzellensystem.
-
Mithilfe von Kühlwasser können Abwärme erzeugende Komponenten eines Kraftfahrzeugs, beispielsweise deren Antriebsstrang, insbesondere ein Brennstoffzellensystem, gekühlt werden, indem die anfallende Abwärme vom Kühlwasser aufgenommen und abtransportiert wird. In analoger Weise können mittels des Kühlwassers auch Abwärme erzeugende elektrische bzw. elektronische Komponenten des Kraftfahrzeugs gekühlt werden. In beiden Fällen wird besagtes Wasser bzw. Kühlwasser typischerweise in einem Kühlwasserkreislauf zirkuliert. Zum Antreiben des Kühlwassers im Kühlwasserkreislauf wird typischerweise eine Wasserpumpe verwendet. Um deren ordnungsgemäße Funktion sicherzustellen, ist es bedeutsam, verschiedene Parameter wie beispielsweise die Wassertemperatur des geförderten Wassers, dem Wasserdruck des geförderten Wassers, den geförderten Massenstrom und somit die Förderleistung der Wasserpumpe sowie die elektrische Leitfähigkeit des Wassers möglichst genau zu kennen. Hierzu können im Kühlwasserkreislauf geeignete Sensoren angeordnet werden.
-
Jedoch erweist sich die elektrische Implementierung besagter Sensoren in den Kühlwasserkreislauf, insbesondere deren elektrische Verdrahtung zur Steuerung und elektrischen Energieversorgung, als sehr aufwändig und somit kostenintensiv.
-
Es daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Ausführungsform für eine solche Wasserpumpe zu schaffen, bei welcher besagter Nachteil teilweise oder sogar vollständig ausgeräumt ist.
-
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
-
Grundidee der Erfindung ist demnach, das Gehäuse einer Wasserpumpe mit wenigstens zwei Durchgangsöffnungen zu versehen, in welche jeweils entweder ein Sensor eingesetzt werden kann oder welche jeweils - falls kein Sensor eingesetzt werden soll - mittels eines Verschlusses verschlossen werden können. Durch Bereitstellung einer bestimmten Anzahl an Durchgangsöffnung ist es somit möglich, ein Gehäuse flexibel für die Verwendung in unterschiedlichen Bauformen der Wasserpumpe - mit einer entsprechend unterschiedlichen Anzahl an Sensoren - auszulegen. Ein solches Gehäuse kann somit flexibel in unterschiedlichen Bauformen der Wasserpumpe eingesetzt werden, die sich hinsichtlich Anzahl und Art der verwendeten Sensoren voneinander unterscheiden. Die nicht für einen jeweiligen Sensor benötigten Durchgangsöffnung können dabei auf einfache und somit kostengünstige Weise mit einem jeweiligen Verschluss, beispielsweise einem Blindstopfen, verschlossen werden.
-
Die hier vorgestellte, erfindungsgemäße Wasserpumpe erlaubt somit eine flexible Verwendung Ihres Gehäuses in unterschiedlichen Bauformen on Wasserpumpen, die sich insbesondere hinsichtlich Anzahl und Art der verwendeten Sensoren voneinander unterscheiden.
-
Im Einzelnen umfasst eine erfindungsgemäße Wasserpumpe zum Fördern von Wasser, insbesondere von Kühlwasser, ein einen Gehäuseinnenraum umgebendes Gehäuse, in welchem ein von dem zu fördernden Wasser durchströmbarer Wasserkanal angeordnet ist. Im Gehäuseinnenraum ist eine Antriebseinheit zum Antreiben des durch den Wasserkanal geführten Wassers angeordnet. Die Antriebseinheit der erfindungsgemäßen Wasserpumpe kann eine drehbare Antriebswelle, an welcher drehfest ein Flügelrad zum Fördern des Wassers im Wasserkanal angeordnet ist. Weiterhin kann die Wasserpumpe eine elektrische Maschine mit einem Stator und mit einem Rotor zum Antreiben der Antriebswelle umfassen. Der Stator ist dabei in üblicherweise ortsfest zum Gehäuse angeordnet, der Rotor drehfest mit der Antriebswelle verbunden, sodass zwischen Rotor und Stator eine relative Drehbewegung stattfinden kann. Die Antriebswelle kann mittels geeigneter Lagerelemente drehbar am Gehäuse oder einem anderen, ortsfest zum Gehäuse angeordneten Bauteil der Wasserpumpe angeordnet sein.
-
Weiterhin umfasst die Wasserpumpe wenigstens zwei im Gehäuse ausgebildete und im Abstand zueinander angeordnete Durchgangsöffnungen, welche jeweils den Gehäuseinnenraum fluidisch mit einer äußeren Umgebung des Gehäuses verbinden. Dabei ist in wenigstens einer Durchgangsöffnung ein Sensor zum Bestimmen einer das durch den Wasserkanal strömende Wasser charakterisierenden Messgröße angeordnet. Erfindungsgemäß sind diejenigen der wenigstens zwei Durchgangsöffnungen, in welchen kein Sensor angeordnet ist, mittels eines Verschlusses fluiddicht verschlossen.
-
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist in allen vorgesehenen Durchgangsöffnungen jeweils ein Sensor angeordnet. Auf diese Weise kann die Wasserpumpe mit der maximal möglichen Anzahl an Sensoren ausgestattet werden.
-
Bei einer anderen, dazu alternativen bevorzugten Ausführungsform in wenigstens einer Durchgangsöffnung ein Verschluss und somit kein Sensor angeordnet. Somit lassen sich auch Wasserpumpen mit einer vereinfachten Sensorik herstellen, die eine geringere Anzahl an Sensoren aufweist als es aufgrund der im Gehäuse vorgesehenen Anzahl an Durchgangsöffnungen möglich wäre.
-
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung können wenigstens vier Durchgangsöffnungen vorgesehen sein. Dies erlaubt die Bereitstellung einer Wasserpumpe mit einem Sensor, oder alternativ dazu, mit zwei, drei oder vier Sensoren, ohne dass dafür das Gehäuse an die jeweilige Bauform angepasst werden müsste. Die nicht mit einem Sensor ausgestatteten Durchgangsöffnungen können auf einfache Weise verschlossen mit einem Verschluss fluiddicht verschlossen werden.
-
Besonders zweckmäßig kann wenigstens ein Verschluss durch einen Blindstopfen gebildet sein. Solche Blindstopfen sind kostengünstig herstellbar bzw. kommerziell verfügbar, was sich vorteilhaft auf die Gesamtherstellungskosten der Wasserpumpe auswirkt. Bevorzugt sind wenigstens zwei Blindstopfen als Gleichteile ausgebildet. Besonders bevorzugt können alle vorhandenen Blindstopfen als Gleichteile ausgebildet sein.
-
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung können wenigstens zwei Sensoren vorhanden sein, die jeweils ein Sensorgehäuse aufweisen, wobei diese Sensorgehäuse als Gleichteile ausgebildet sind. Auch diese Variante erweist sich als besonders kostengünstig. Insbesondere empfiehlt sich diese Variante, wenn die wenigstens zwei Durchgangsöffnungen, in welchen die beiden Sensorgehäuse angeordnet sind, mit identischer Geometrie, ausgebildet sind.
-
Besonders bevorzugt sind die daher wenigstens zwei Durchgangsöffnungen mit identischer Geometrie ausgebildet. Dies wiederum ermöglicht die Verwendung von Sensoren bzw. Sensorgehäusen, die identisch, also insbesondere als Gleichteile ausgebildet sind, woraus sich weitere Kostenvorteile ergeben. Ebenso können zum Verschließen der Durchgangsöffnung Gleichteile, insbesondere als Gleichteile ausgebildete Blindstopfen, herangezogen werden.
-
Besonders bevorzugt verschließt der jeweilige in der Durchgangsöffnung angeordnete Sensor, vorzugsweise ein Sensorgehäuse des Sensors, die jeweilige Durchgangsöffnung fluiddicht.
-
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist der wenigstens einen Sensor ein Drucksensor zum Ermitteln des Wasserdrucks des durch den Wasserkanal geführten Wassers. Somit lässt sich genau feststellen, mit welchem Druck das Wasser bzw. Kühlwasser von der Wasserpumpe gefördert wird. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass das Wasser, insbesondere wenn es als Kühlwasser in einen Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems gelangt, einen maximal zulässigen Wasserdruck, nicht überschreitet, der etwa durch die Eigenschaften der im Brennstoffzellenstapel vorhandenen Membranen festgelegt sein.
-
Alternativ dazu kann der wenigstens einen Sensor ein Temperatursensor zum Ermitteln der Wassertemperatur des durch den Wasserkanal geführten Wassers sein. Dies erweist sie insbesondere als bedeutsam, wenn das Wasser als Kühlwasser fungieren und somit Abwärme von den zu kühlenden Komponenten aufnehmen soll.
-
Alternativ dazu kann der wenigstens einen Sensor ein Massenstromsensor zum Ermitteln des Massenstroms an Wasser durch den Wasserkanal sein. Auf diese Weise kann die momentane Fördermenge des von der Wasserpumpe geförderten Wassers präzise bestimmt werden.
-
Alternativ dazu kann der wenigstens einen Sensor ein Leitfähigkeitssensor zum Ermitteln der elektrischen Leitfähigkeit des durch den Wasserkanal geführten Wassers sein. Eine genaue Kenntnis der elektrischen Leitfähigkeit des Wassers kann sich insbesondere als vorteilhaft erweisen, wenn der Wasserkanal durch Bauteile aus Metall begrenzt wird, da dann das Wasser bei einer zu hohen elektrischen Leitfähigkeit einen elektrischen Kurzschluss verursachen könnte.
-
Denkbar ist auch die Verwendung wenigstens eines weiteren Sensors zur Ermittlung eines anderen Messparameters in Kombination mit wenigstens einem der voranstehend vorgestellten Sensoren.
-
Besonders bevorzugt können vier Durchgangsöffnungen vorgesehen sein, in welchen jeweils einer der vier verschiedenen Sensoren angeordnet ist. Auf diese Weise können vier verschiedene Messparameter bestimmt werden.
-
Zweckmäßig ragt wenigstens ein Sensor in den Wasserkanal hinein. Auf diese Weise kann mittels des jeweiligen Sensors eine hohe Messgenauigkeit erzielt werden.
-
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung kann die Antriebswelle der Antriebseinheit als, bevorzugt hohlzylindrische, Hohlwelle ausgebildet sein, die einen, vorzugsweise zylindrischen, Hohlraum umgibt, welcher einen Teil des Wasserkanals bildet. Bei dieser Weiterbildung ist die Sensoreinheit in einer axialen Verlängerung des Hohlraums im Wasserkanal angeordnet.
-
Besonders bevorzugt kann das Gehäuse zumindest zweiteilig, vorzugsweise dreiteilig, mit einem Gehäusehauptkörper, in welchem die Antriebseinheit angeordnet ist, und wenigstens einem, vorzugsweise zwei, Gehäusedeckel(n), ausgebildet sein. Bei dieser Variante ist der wenigstens eine Gehäusedeckel lösbar, vorzugsweise mittels wenigstens einer Schraubverbindung, am Gehäusekörper befestigt. Weiterhin ist bei dieser Variante die Sensoreinheit, vorzugsweise auch die Leiterplatte, fest mit einem Gehäusedeckel verbunden. Somit kann die Sensoreinheit im Zuge der Montage des Gehäusedeckels am Gehäusehauptkörper an der Wasserpumpe montiert werden und außerdem die Sensoreinheit am Gehäusedeckel vom montiert werden. Dies erleichtert den Zusammenbau der Wasserpumpe.
-
Die Erfindung betrifft ferner eine Kühleinrichtung für ein Brennstoffzellensystem eines Kraftfahrzeugs. Die Kühleinrichtung umfasst einen Kühlkreislauf zum Zirkulieren von Wasser, insbesondere von Kühlwasser, sowie eine im Kühlkreislauf angeordnete erfindungsgemäße Wasserpumpe zum Fördern des Wassers bzw. Kühlwassers im Kühlkreislauf. Die voranstehend erläuterten Vorteile der erfindungsgemäßen Wasserpumpe übertragen sich daher auf die erfindungsgemäße Kühleinrichtung.
-
Die Erfindung betrifft auch ein Kraftfahrzeug mit einer voranstehend erläuterten, erfindungsgemäßen Kühleinrichtung. Die voranstehend erläuterten Vorteile der erfindungsgemäßen Wasserpumpe übertragen sich daher auf das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug. Dieses umfasst ein im Betrieb Abwärme erzeugendes Brennstoffzellensystem, welches eine thermisch an die Kühleinrichtung gekoppelt ist, so dass die erzeugte Abwärme auf das im Kühlkreislauf zirkulierende Wasser bzw. Kühlwasser übertragen werden kann.
-
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.
-
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
-
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
-
Die einzige 1 zeigt ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Wasserpumpe 1 in einer perspektivischen Darstellung. Die Wasserpumpe 1 dient zum Fördern von Wasser, insbesondere von Kühlwasser. Hierzu umfasst die Wasserpumpe 1 ein einen Gehäuseinnenraum 3 umgebendes Gehäuse 2, in welchem ein von dem zu fördernden Wasser durchströmbarer Wasserkanal angeordnet ist. Im Gehäuseinnenraum 3 ist ferner eine Antriebseinheit (in der Darstellung der 1 nicht erkennbar) zum Antreiben des durch den Wasserkanal geführten Wassers angeordnet. Die Antriebseinheit 4 umfasst im Beispiel der 1 eine elektrische Maschine (im Gehäuseinnenraum 3 angeordnet und somit in 1 nicht erkennbar) mit einem Stator und mit einem Rotor zum Antreiben der Antriebswelle. Der Stator ist dabei ortsfest zum Gehäuse 2 angeordnet, der Rotor hingegen drehfest mit der Antriebswelle verbunden, sodass im Betrieb der Wasserpumpe 1 zwischen Rotor und Stator eine relative Drehbewegung stattfindet. Die Antriebswelle kann mittels geeigneter Lagerelemente (nicht gezeigt) drehbar am Gehäuse 2 oder einem anderen, gegenüber dem Gehäuse 2 ortsfesten Bauteil (nicht gezeigt) der Wasserpumpe 1 angeordnet sein.
-
Weiterhin umfasst die Wasserpumpe 1 im Beispiel vier im Gehäuse 2 ausgebildete und jeweils im Abstand zueinander angeordnete Durchgangsöffnungen 21a-21 d, welche jeweils den Gehäuseinnenraum 3 fluidisch mit einer äußeren Umgebung 4 des Gehäuses 2 bzw. der Wasserpumpe 1 verbinden. Dabei ist in jeder der Durchgangsöffnungen 21a-21d entweder ein Sensor 6a-6d (in 1 nur schematisch angedeutet) zum Bestimmen einer jeweiligen Messgröße, welche das durch den Wasserkanal geführte Wasser charakterisiert, oder ein die betreffende Durchgangsöffnung 21a-21d fluiddicht verschließender Verschluss 22a-22d angeordnet. Mit anderen Worten, diejenigen der Durchgangsöffnungen 21 a-21d, in welchen kein Sensor 6a-6d angeordnet ist, sind mittels eines Verschlusses 22a-22d fluiddicht verschlossen.
-
In Varianten des Beispiels kann auch jeweils eine andere Anzahl an Durchgangsöffnungen 21a-21d im Gehäuse 2 vorgesehen sein. Zweckmäßig können die einzelnen Verschlüsse 22a-22d jeweils durch einen Blindstopfen 23a-23d (nicht explizit dargestellt) sein gebildet sein. Solche Blindstopfen 23a-23d sind kostengünstig herstellbar bzw. verfügbar, was sich vorteilhaft auf die Gesamtherstellungskosten der Wasserpumpe 1 auswirkt. Sind zwei oder mehr solche Blindstopfen 23a-23d vorgesehen, so können diese - um die Herstellungskosten der Wasserpumpe 1 weiter zu reduzieren - als Gleichteile ausgebildet sein. Besonders bevorzugt können alle vorhandenen Blindstopfen als Gleichteile ausgebildet sein.
-
In einer besonders bevorzugten Variante des Beispiels kann in allen der Durchgangsöffnungen 21a-21d jeweils ein Sensor 6a-6d angeordnet sein. Dies bedeutet, dass jede der Durchgangsöffnungen 21a-21d für Sensorik genutzt wird. Alternativ dazu kann in wenigstens einer Durchgangsöffnung 21-21d ein Verschluss 22a-22d und somit kein Sensor 6a-6d angeordnet sein. Bei dieser Alternative lässt sich auch Wasserpumpe 1 mit einer vereinfachten Sensorik ausstatten, die sich durch reduzierte Anzahl an Sensoren 6a-6d auszeichnet. Zweckmäßig ragen die vorhandenen Sensoren 6a-6d in den Wasserkanal hinein. Auf diese Weise kann mittels des jeweiligen Sensors 6a-6d eine besonders hohe Messgenauigkeit erzielt werden.
-
Die einzelnen Sensoren 6a-6d können in allen Varianten ein jeweiliges Sensorgehäuse 7a-7d aufweisen, mittels welchem die jeweilige Durchgangsöffnung 21-21d verschlossen wird. Bevorzugt können die vorhandenen Durchgangsöffnungen 21a-21d mit identischer Geometrie ausgebildet sein. Dies ermöglicht die Verwendung von Sensoren 6a-6d bzw. von Sensorgehäusen 7a-7d, die identisch, also bevorzugt insbesondere als Gleichteile ausgebildet sind, woraus sich weitere Kostenvorteile ergeben.
-
Gemäß einer besonders bevorzugten Variante des Beispiels können vier Durchgangsöffnungen 21a-21d vorgesehen sein, in welchen vier verschiedene Sensoren 6a-6d angeordnet sind. Auf diese Weise können vier verschiedener Messparameter bestimmt werden. Bei dieser besonders vorteilhaften Variante ist ein Erster 6a der vier Sensor 6a-6d ein Drucksensor zum Ermitteln des Wasserdrucks des durch den Wasserkanal geführten Wassers. Somit lässt sich genau feststellen, mit welchem Druck das Wasser bzw. Kühlwasser von der Wasserpumpe gefördert wird. Dadurch kann sichergestellt werden, dass das Wasser, wenn dieses als Kühlwasser in einen Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems gelangt, einen maximal zulässigen Wasserdruck, nicht überschreitet, der beispielsweise durch die Eigenschaften der im Brennstoffzellenstapel vorhandenen Bipolarplatten festgelegt sein kann. Ein Zweiter 6b der vier Sensoren 6a-6d ist ein Temperatursensor zum Ermitteln der Wassertemperatur des durch den Wasserkanal geführten Wassers sein. Dies erweist sie insbesondere als bedeutsam, wenn das Wasser als Kühlwasser fungieren und somit Abwärme von den zu kühlenden Komponenten aufnehmen soll. Ein Dritter 6c der vier Sensoren 6a-6d ist ein Massenstromsensor zum Ermitteln des Massenstroms an Wasser durch den Wasserkanal sein. Auf diese Weise kann die momentane Fördermenge des von der Wasserpumpe geförderten Wassers zuverlässig bestimmt werden. Ein Vierter 6d der vier Sensoren 6a-6d kann ein Leitfähigkeitssensor zum Ermitteln der elektrischen Leitfähigkeit des durch den Wasserkanal geführten Wassers sein. Eine genaue Kenntnis der elektrischen Leitfähigkeit des Wassers kann sich insbesondere als vorteilhaft erweisen, wenn der Wasserkanal durch Bauteile aus Metall begrenzt wird, da dann das Wasser bei einer zu hohen elektrischen Leitfähigkeit einen elektrischen Kurzschluss verursachen könnte. Denkbar ist aber auch die Verwendung wenigstens einen weiteren Sensors zur Ermittlung eines anderen Messparameters in Kombination mit wenigstens einem der voranstehend vorgestellten Sensoren.
-
Im Beispiel der 1 ist das Gehäuse 2 dreiteilig mit einem Gehäusehauptkörper 2a, in welchem die Antriebseinheit angeordnet ist, und mit zwei sich einander gegenüberliegenden Gehäusedeckeln 2b, 2c, ausgebildet, wobei der Gehäusehauptkörper 2a wie gezeigt sandwichartig zwischen den beiden Gehäusedecken 2b, 2c angeordnet sein kann. Die beiden Gehäusedeckel 2b, 2c sind jeweils mittels Schraubverbindungen 16 lösbar am Gehäusehauptkörper 2a befestigt.
