DE10301613A1 - Motor-Pumpeneinheit - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Motor-Pumpeneinheit, bei der die Abdichtung und Lagerung der Welle 6 über eine Kombination von gasgeschmierter Gleitringdichtung 18 und Standardwälzlager 19, 21 erfolgt. Zusätzlich wird eine eventuell entstehende Ausgleichsströmung in einen Innenraum 4 des Kapselelementes 3 durch einen Kanal 33 vom Lagerbereich weg geleitet. DOLLAR A Die beschriebene Motor-Pumpeneinheit ist für den Einsatz zur Förderung von Wasserstoff für Brennstoffzellenantriebe geeignet und weist eine hohe Lebensdauer auf.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Motor-Pumpeneinheit bei der ein Motorabschnitt und ein Pumpenabschnitt durch eine Trennwand voneinander getrennt und im wesentlichen koaxial zu einer Welle angeordnet sind, wobei der Pumpenabschnitt ein Laufrad, welches auf der Welle angeordnet ist und ein Gehäuse aufweist und der Motorabschnitt ein Gehäuse aufweist, in dem ein Innenraum eines Kapselelementes und ein Motorraum angeordnet sind, die durch das koaxial zu der Welle angeordnete Kapsefelement voneinander getrennt sind, wobei im Innenraum des Kapselelementes die Welle mit einem darauf fest angeordneten Rotor und eine Lagereinheit, die zwei Standardwälzlager zur Lagerung der Welle aufweist, angeordnet sind und der Motorraum zumindest einen Stator mit Statorwicklungen aufweist.
• Motor-Pumpeneinheiten sind allgemein bekannt und werden in einer Vielzahl von Anmeldungen beschrieben. Dabei trennt das Kapselelement in der Regel einen von einer Förderflüssigkeit durchströmten Innenraum des Kapselelementes, in dem der Rotor und die Welle angeordnet sind, dicht von einem Motorraum, in dem der Stator mit den Wicklungen angeordnet ist. Motorabschnitt und Pumpeneinheit sind bei diesen Ausführungen auf einer Welle angeordnet.
• In der DE 3609311 wird eine Motor-Pumpeneinheit in Form einer Spaltrohrmotorpumpe beschrieben, bei der der Pumpenraum vom Innenraum des Spaltrohres durch ein Lagerschild abgetrennt wird. Dieses Lagerschild nimmt zwei Wellendichtringe auf, die das Lager und damit den von der Welle gehaltenen Rotor gegenüber dem Pumpenraum abdichten. Diese Wellendichtringe verhindern somit ein Eindringen der Förderflüssigkeit in den Innenraum des Kapselelementes und somit zu den Lagerstellen, so daß durch diese Abdichtung Standardwälzlager verwendet werden können, die ansonsten durch die Flüssigkeit ausgespült würden.
• Eine solche Ausführung birgt jedoch den Nachteil, daß die Haltbarkeitsdauer der Wellendichtringe relativ gering ist und eine Abdichtung gegenüber einem gasförmigen Fördermedium nicht ausreichend gewährleistet wird.
• Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Motor-Pumpeneinheit zu schaffen, bei der eine sichere Abdichtung des Innenraum des Kapselelementes gegenüber des Pumpenraumes auch bei der Förderung von Gasen gewährleistet wird. Desweiteren soll es möglich sein, Standardwälzlager zu verwenden und eine einfach zu montierende Einheit zu schaffen, die kostengünstig herstellbar ist und dennoch weitestgehend wartungsfrei arbeitet.
• Diese Aufgaben werden dadurch gelöst, daß eine Abdichtung des Innenraumes des Kapselelementes gegenüber des Pumpenraumes durch eine auf der Welle angeordnete gasgeschmierte Gleitringdichtung erfolgt. Durch eine solche Ausführung kann der in den Innenraum des Kapselelementes eindringende Gasstrom soweit minimiert werden, daß Standardwälzlager benutzt werden können und dennoch eine lange Lebensdauer der Lager gesichert wird. Eine zusätzliche Flüssigkeitsschmierung entfällt. Dabei kann das Kapselelement entweder durch ein Spaltrohr, einen Spalttopf oder durch eine Gußmasse aus Kunststoff gebildet werden.
• In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Gleitringdichtung an ihrem zum ersten Standardlager weisenden Ende einen Kanal auf, über den eindringendes Gas am Wälzlager vorbei in den Innenraum des Kapselelementes leitbar ist. Durch diese Ausführungsform wird sichergestellt, daß zwischen Gleitringdichtung und Welle strömendes Gas nicht direkt auf die Wälzlager wirkt, da der Strömungswiderstand im Kanal deutlich geringer ist, als in dem hinter der Gleitringdichtung angeordneten Wälzlager. Die Lebensdauer eines Wälzlagers wird somit zusätzlich erhöht, da eine Lebensdauerfettschmierung verwendet werden kann, die im wesentlichen keiner Gasströmung ausgesetzt ist.
• Als Standardwälzlager können Schräg- oder Rillenkugellager verwendet werden, wodurch Kosten gesenkt werden.
• In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Motorraum von einem Kühlmantel umgeben, der von einer Kühlfüssigkeit durchströmt ist, wodurch eine ausreichende Kühlung des Motors sichergestellt wird.
• In einer bevorzugten Ausführungsform ist das an der von der Pumpeneinheit abgewandten Seite angeordnete Standardwälzlager in einem hohlzylindrischen Abschnitt einer zweiten Trennwand angeordnet, die den Innenraum des Kapselelementes dicht verschließt und über Öffnungen eine Verbindung zum Motorraum herstellt. Hierdurch wird die vorhandene Teileanzahl beschränkt, gleichzeitig jedoch eine einfache Montage und ein dichter Verschluß des Innenraums des Kapselelementes sichergestellt.
• Es ist vorteilhaft, wenn die Motor-Pumpeneinheit einen Deckel aufweist, der an der zweiten Trennwand befestigt ist und der wiederum Öffnungen aufweist, durch welche die elektrischen Anschlußleitungen von außen über die Öffnung in der zweiten Trennwand zum Motorraum geführt werden können und das im Bereich zwischen Deckel und zweiter Trennwand die Elektronikbauteile und Leistungstransistoren angeordnet sind. Hierdurch wird eine leichte Erreichbarkeit der elektronischen Bauteile sichergestellt und die Anschlußkontaktierung zum Motor hin vereinfacht.
• In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Deckel aus wärmeleitfähigem Material hergestellt, so daß eine notwendige Kühlung der darin angeordneten Elektronikbauteile und Leistungstransistoren vereinfacht wird.
• Besonders vorteilhaft ist es dann, wenn die koaxial zur Welle angeordneten Außenwände des Deckels von der Kühlflüssigkeit umströmt werden, so daß die in den Elektronikbauteilen erzeugte Wärme den Kühlmittelstrom abgeführt werden kann.
• Eine solche Motor-Pumpeneinheit eignet sich zur Förderung von Wasserstoff für Brennstoffzellenantriebe, da die Dichtheitskriterien, die an ein solches Aggregat gestellt werden, vollständig erfüllt sind.
• Eine Motor-Pumpeneinheit der beschriebenen Art verfügt über eine lange Lebensdauer, ist einfach zu montieren, preiswert herstellbar und weitestgehend wartungsfrei.
• Ein Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
• Die Figur zeigt die Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Motor-Pumpeneinheit in geschnittener Darstellung.
• Die dargestellte Motor-Pumpeneinheit besteht aus einem Pumpenabschnitt 1 und einem Motorabschnitt 2.
• Der Motorabschnitt 2 weist ein Kapselelement 3 in Form eines Spaltrohres auf, welches einen Innenraum 4 des Kapselelementes 3 von einem Motorraum 5 trennt. Im Innenraum 4 des Kapselelementes 3 ist eine Welle 6 angeordnet, die fest mit einem Rotor 7 verbunden ist. Das Kapselelement 3 ist koaxial um die Welle 6 bzw. den Rotor 7 angeordnet und trennt diesen Bereich vom Motorraum 5, in dem ein Stator 8 mit Statorwicklungen 9 angeordnet ist. Der gesamte Motorabschnitt 2 wird von einem Gehäuse 10, welches koaxial zur Welle 6 angeordnet ist, umgeben. Die Welle 6 tritt an dem zum Pumpenabschnitt 1 gelegenen Ende durch eine Trennwand 11 hindurch, welche im wesentlichen die Pumpeneinheit 1 von dem Motorabschnitt 2 trennt.
• Der Pumpenabschnitt 1 besteht aus einem auf dieser Welle 6 angeordneten Pumpenlaufrad 12 und einem Pumpengehäuse 13, welches den Pumpenraum 14 umschließt.
• Die Trennwand 11 ist jeweils über Schraubverbindungen 15 mit dem Gehäuse 13 des Pumpenabschnitts 1 bzw. dem Gehäuse 10 des Motorabschnitts 2 verbunden. Die Trennwand 11 weist an ihrer zum Motorabschnitt 2 gelegenen Seite Absätze 16, 17 auf, wobei sich im Bereich des Absatzes 16 eine im wesentlichen koaxial zur Welle liegende hohlzylindrische Form ergibt, die zur Aufnahme einer Gleitringdichtung 18 und einem dahinter angeordneten Standardwälzlager 19 zur Abdichtung bzw. Lagerung der Welle 6 dient. Der zweite Absatz 17 dient zur dichten Aufnahme des Kapselelementes 3.
• Das Standardwälzlager 19 ist Teil einer Lagereinheit 20, die als Fest-Los-Lager aufgebaut ist, wobei das Wälzlager 19 die Funktion des Festlagers erfüllt und ein zweites Wälzlager 21, welches an der zum Pumpenabschnitt 1 entgegengesetzten Seite der Welle 6 angeordnet ist, die Funktion des Loslagers erfüllt. Dieses zweite Standardwälzlager 21 stützt sich über ein Ringfederelement 22 an einer zweiten Trennwand 23 ab.
• Auch diese Trennwand weist an seiner zum Motorabschnitt 2 gelegenen Seite Absätze 24, 25 auf, die wiederum zur Aufnahme des Kapselelementes 3 und des Standardwälzlagers 21 dienen. Diese zweite Trennwand 23 wird wiederum mit dem Gehäuse 10 des Motorabschnitts 2 verschraubt. Die Trennwand 23 weist desweiteren Durchgangsbohrungen 26 auf, die in den Bereich des Motorraumes 5 führen, so daß durch diese Öffnungen 26 die elektrische Kontaktierung zu den Statorwicklungen 9 vollzogen werden kann. Desweiteren wird ein Deckel 27 über eine Schraubverbindung 28 mit dieser Trennwand 23 verbunden, wodurch sich ein Raum 29 zwischen der Trennwand 23 und dem Deckel 27 ergibt, in dem die nicht dargestellte Elektronikeinheit bzw. die Leistungstransistoren angeordnet werden. Der Deckel 27 weist desweiteren flanschförmige Öffnungen 30 zur Durchführung elektrischer Anschlußleitungen auf.
• Um das Gehäuse 10 des Motorabschnitts 2 ist desweiteren ein Kühlmantel 31 angeordnet, der von einer Kühlflüssigkeit durchströmt wird, so daß im Motorraum 5 entstehende Wärme abgeführt werden kann. Es ist vorstellbar, diesen Kühlmantel 31 auch über den Bereich des Motorraumes 5 hinweg in den Bereich der Außenwände 32 des Deckels 27 fortzuführen, so daß auch die dort angeordneten Leistungstransistoren und Elektronikbauteile eine zusätzliche Kühlung erfahren, die dadurch verstärkt werden kann, daß der Deckel 26 aus einem wärmeleitfähigen Material hergestellt wird.
• Es wird aus der Zeichnung deutlich, daß der Motorraum 5 sowie der Raum 29 im Deckel 27 nur mit Luft beaufschlagt werden können, da eine vollständige Abdichtung des Innenraums 4 des Kapselelementes 3 zum Motorraum 5 durch das Kapselelement 3 bzw. die beiden Trennwände 11 und 23 sichergestellt wird. Trotz der gasgeschmierten Gleitringdichtung 18 kann es jedoch vorkommen, daß geringe Aus gleichsströme des geförderten Mediums, im vorliegenden Anwendungsfall Wasserstoff, durch die Gleitringdichtung 18 in den Innenraum 4 des Kapselelementes 3 dringen. Zur Vermeidung zu großer auf das erste Wälzlager 21 wirkender Strömungen ist die Gleitringdichtung 18 zusätzlich mit einem Kanal 33 versehen, der sich entsprechend in der Trennwand 11 fortsetzt, so daß eine fluidische Verbindung zum Innenraum 4 des Kapselelementes 3 durch diesen Kanal 33 hergestellt wird. Dies verhindert, daß das Wälzlager 19 direkt mit strömendem Gas beaufschlagt wird, wodurch eine vorhandene Lebensdauerfettfüllung ausgewaschen werden könnte.
• Die erfindungsgemäße Motor-Pumpeneinheit, stellt eine absolut zuverlässige Abdichtung des Motorraumes gegen das zu fördernde Medium sicher und hindert gleichzeitig auch strömendes Gas weitestgehend daran in den Innenraum des Kapselefementes einzudringen, zumindest jedoch werden die Strömungsgeschwindigkeiten soweit herabgesetzt, daß eine Schädigung der Lager ausgeschlossen wird, wobei zusätzlich eine eventuell vorhandene Gasströmung so um das erste Wälzlager herumgeleitet wird, daß ein Auswaschen der Lager sicher verhindert werden kann. Diese Maßnahmen führen bei der beschriebenen Pumpe zu einer extrem hohen Lebensdauer, kostengünstiger Herstellung, nicht zuletzt durch die Verwendbarkeit von Standardlagern, bei gleichzeitig einfacher Ausführung und Montage.
• Änderungen bezüglich der Ausführungsform, wie beispielsweise bezüglich der Ausführung des Kapselelementes als Spaltrohr, Spalttopf oder als entsprechend angeordnete Kunststoffgußmasse oder bezüglich des Kühlmantels oder die Art der Kühlung beispielsweise mit Luft und auch Änderungen bezüglich der Zusammensetzung und Form der anderen Bauteile sind vorstellbar, ohne den Umfang der Schutzansprüche zu verlassen.

Claims (10)

1. Motor-Pumpeneinheit bei der ein Pumpenabschnitt und ein Motorabschnitt durch eine Trennwand voneinander getrennt und im wesentlichen koaxial zu einer Welle angeordnet sind, wobei der Pumpenabschnitt ein Laufrad, welches auf der Welle angeordnet ist, und ein Gehäuse aufweist und der Motorabschnitt ein Gehäuse aufweist, in dem ein Innenraum des Kapselelementes und ein Motorraum angeordnet sind, die durch das koaxial zu der Welle angeordnete Kapselelement voneinander getrennt sind, wobei im Innenraum des Kapselelementes die Welle mit einem darauf fest angeordneten Rotor und eine Lagereinheit, die zwei Standardwälzlager zur Lagerung der Welle aufweist, angeordnet sind und der Motorraum zumindest einen Stator mit Statorwicklungen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Abdichtung des Innenraums (4) des Kapselelementes (3} gegenüber eines Pumpenraumes (14) durch eine auf der Welle (6) angeordnete gasgeschmierte Gleitringdichtung (18) erfolgt.
2. Motor-Pumpeneinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitringdichtung (18) an ihrem zum ersten Standardwälzlager (19) weisenden Ende einen Kanal (33) aufweist, über den eindringendes Gas am Wälzlager (19) vorbei in den Innenraum (4) des Kapselelementes (3) leitbar ist.
3. Motor-Pumpeneinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Standardwälzlager (19, 21) fettgeschmiert sind.
4. Motor-Pumpeneinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Standardwälzlager (19, 21) als Schrägkugellager oder Rillenkugellager ausgeführt sind.
5. Motor-Pumpeneinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Motorraum (5) von einem Kühlmantel (31) umgeben ist, der von einer Kühlflüssigkeit durchströmt ist.
6. Motor-Pumpeneinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das an der von dem Pumpenabschnitt (1) abgewandten Seite angeordnete Standardwälzlager (21) in einem hohlzylindrischen Abschnitt einer zweiten Trennwand (23) angeordnet ist, die den Innenraum (4) des Kapselelementes (3) dicht verschließt und über Öffnungen (26) eine Verbindung zum Motorraum (5) herstellt.
7. Motor-Pumpeneinheit nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Motor-Pumpeneinheit einen Deckel (27) aufweist, der an der zweiten Trennwand (23) befestigt ist und der Öffnungen (3d) aufweist, durch welche die elektrischen Anschlußleitungen von außen über die Öffnungen (26) in der zweiten Trennwand (23) zum Motorraum (5) führbar sind und das im Bereich zwischen Deckel (27) und zweiter Trennwand (23) Elektronikbauteile und Leistungstransistoren angeordnet sind.
8. Motor-Pumpeneinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Deckel (27) aus wärmeleitfähigem Material hergestellt ist.
9. Motor-Pumpeneinheit nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die koaxial zur Welle (6) angeordneten Außenwände (32) des Deckels (27) von der Kühlflüssigkeit umströmt sind.
10. Motor-Pumpeneinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Motor-Pumpeneinheit zur Förderung von Wasserstoff für Brennstoffzellenantriebe verwendbar ist.