DE3642729A1 - Pumpenaggregat zur foerderung von fluessigkeiten oder gasen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Pumpenaggregat zur Förderung von Flüssigkeiten oder Gasen, bestehend aus einer Pumpe und einem die Pumpe antreibenden Elektromotor, dessen Drehzahl und/oder Drehmoment mit einem statischen Frequenzum­ richter veränderbar ist.

Pumpen sind die in der Technik am häufigsten vorkommenden Arbeitsmaschinen. In der Literatur versteht man unter "Pumpen" sowohl Flüssigkeitspumpen als auch Lüfter und Ge­ bläse, die mit niedrigem Druckverhältnis arbeiten, so daß die Kompressibilität des zu fördernden Fluids bei der kon­ struktiven Gestaltung der Arbeitsmaschine nicht berücksich­ tigt werden muß.

Für beide Maschinentypen, also die Verdrängermaschinen einerseits und die Strömungsmaschinen andererseits, gelten die bekannten Modellgesetze, nämlich für Verdrängermaschi­ nen P∼n · D ³ und für Strömungsmaschinen P∼n ³ · D ⁵, wobei P für die Leistung, n für die Drehzahl und D für eine charakteristische Abmessung des energieübertragenden Bau­ elementes der Maschine stehen. Man erkennt, daß die Lei­ stung einer Verdrängermaschine linear mit der Drehzahl steigt, während die Leistung einer Strömungsmaschine dagegen mit der dritten Potenz der Drehzahl steigt. Bei den nachstehenden Ausführungen sollen Strömungsma­ schinen bzw. Pumpen behandelt werden, obwohl die Erfindung gleichermaßen beide erwähnten Maschinentypen betrifft. Die Modellgesetze zeigen den Effekt der Betriebsdrehzahl auf die hydraulische Leistung der jeweiligen Maschine. Es ergeben sich demnach erhebliche Vorteile in bezug auf die Abmessungen, das Gewicht, den Preis und häufig auch den Wirkungsgrad eines Pumpenaggregates, wenn man die Pumpen mit hohen Drehzahlen betreibt.

Beim Antrieb von Pumpen durch Elektromotoren ist man hin­ sichtlich der Drehzahl in den meisten Fällen an die Fre­ quenz des elektrischen Versorgungsnetzes gebunden. Aus diesem Grunde werden in zunehmendem Maße Frequenzumrichter eingesetzt, die dem Anwender neben den genannten Vorteilen weitere Möglichkeiten bieten. Er kann nämlich baulich glei­ che Aggregate mit unterschiedlicher Drehzahl betreiben, um verschiedene Aufgaben zu lösen, wobei gleichzeitig das Er­ satzteillager reduziert werden kann. Weiterhin ist der An­ wender nicht mehr gezwungen, die Anlagenkennlinie exakt im voraus zu berechnen, weil man sich den Erfordernissen der Anlage durch entsprechende Wahl der Drehzahl weitgehend verlustlos anpassen kann. Schließlich ist es auch ohne Auswechseln der Aggregate möglich, einfach durch Drehzahländerung im jeweiligen System verschiedene Produkte zu fördern, was in chemischen Betrieben häufig erforderlich ist.

Voraussetzung zur Nutzung dieser Vorteile ist allerdings der Einsatz von Frequenzumrichtern. Diese sind heute aber von dem Pumpenaggregat getrennt aufzustellen, da sie groß bauende und im übrigen auch teure Geräte sind, die besonders im niedrigen Leistungsbereich den Preis des Pumpenaggrega­ tes normalerweise weit übersteigen. Ein weiterer Nachteil ist darin zu sehen, daß durch die Leitung zwischen dem Frequenzumrichter und dem Pumpenaggregat Störungen in der Umgebung durch elektromagnetische Felder auftreten, was nur durch eine aufwendige Abschirmung zu vermeiden ist. Auch hierdurch ist die Mobilität der Pumpenaggregate weitgehend eingeschränkt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein frequenzge­ steuertes Pumpenaggregat für insbesondere kleine und mitt­ lere Leistungen zu schaffen, das kostengünstig und damit universell einsetzbar ist, wodurch die zuvor genannten Vorteile auf einem breiten Anwendungsgebiet genutzt werden können. Im übrigen sollen die mit solchen Aggregaten mög­ lichen Material- und Energieeinsparungen auch zur Reduzie­ rung der Umweltbelastung führen.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird das eingangs erwähnte Pum­ penaggregat erfindungsgemäß so ausgebildet, daß der durch Anwendung hochintegrierter Schaltkreise miniaturisierte Frequenzumrichter im oder am Aggregat angeordnet ist und mit diesem eine bauliche Einheit bildet und daß die Ver­ lustwärme des Frequenzumrichters mit dem vom Aggregat ge­ förderten oder zu fördernden Fluid als Wärmesenke abführ­ bar ist.

Die Leistung eines Gerätes und auch die als Wärme abzufüh­ rende Verlustleistung steigen mindestens mit der dritten Potenz seiner linearen Abmessungen. Die Oberfläche zur Ab­ gabe der Verlustwärme an die Umgebung wächst jedoch nur mit der zweiten Potenz der linearen Abmessungen des Gerä­ tes. So ergibt sich für jedes Wärme produzierende Objekt bei vorgegebener Leistung eine bestimmte minimale Baugröße. Diese hängt von der Temperaturdifferenz zwischen der Wärme­ quelle des Objektes und der Wärmesenke, das kann die Umge­ bung oder ein Kühlmittel sein, einerseits und von der Größe der Wärmewiderstände auf dem Weg des Wärmeflusses anderer­ seits ab. Je niedriger die Wärmewiderstände sind, umso kleiner kann dann schließlich das Gerät gebaut werden.

Diese Hinweise sind zum Verständnis des theoretischen Hin­ tergrundes der Erfindung von Bedeutung. Die Elektronik er­ laubt es heute, Geräte sehr klein zu bauen, wenn die zuläs­ sige Arbeitstemperatur nicht überschritten wird. Die Tempe­ raturgrenze läßt sich auch beim Verkleinern der baulichen Abmessungen einhalten, falls man Wärmesenken tiefer Tempe­ ratur findet und die Wärmeübergangszahlen an der die Ver­ lustwärme abgebenden Oberfläche erhöht.

Durch den Anbau oder Einbau des Frequenzumrichters an bzw. in das Pumpenaggregat wird auf einfache Weise die Möglich­ keit geschaffen, das geförderte oder zu fördernde Fluid als Wärmesenke zu nutzen. Während bei den bisher bekannten und separat aufgestellten Frequenzumrichtern die Verlust­ wärme durch freie Konvektion an die Umgebungsluft abgeführt wird, können nun die Wärmeverluste beispielsweise bei tur­ bulenter Strömung des Fluids durch erzwungene Konvektion ab­ geführt werden. Bei einer Kühlung durch Wasser ist mit Wär­ meübergangszahlen zu rechnen, die um zwei bis drei Zehner­ potenzen über den Wärmeübergangszahlen liegen, die bei einer freien Konvektion in Luft maßgebend sind.

Häufig ist es auch von Vorteil, den Frequenzumrichter nicht insgesamt bzw. teilweise im Strömungsweg des Fluids anzu­ ordnen, sondern in einen Bypass der Pumpe zu legen. Dies wird der Fall sein, wenn insbesondere heiße Fluide zu för­ dern sind. Der im Bypass fließende Förderstromanteil kann dann nach Wärmeabgabe an die Umgebung als Kühlmittel und Wärmesenke des Frequenzumrichters genutzt werden.

Bei rauhem Betrieb wird man den Frequenzumrichter zwischen der Pumpe und dem Elektromotor anordnen. Zur Verbesserung der Wärmeabgabe sollte dann noch eine Zwangskühlung durch einen Lüfter oder durch die als Lüfterrad ausgebildete Kupplung zwischen Motor und Pumpe vorgesehen werden. Aller­ dings ist auch ein Anschluß des Frequenzumrichters an ein separates Kühlsystem möglich.

Weitere Maßnahmen zur Reduzierung des Wärmewiderstandes und zur Verbesserung der Wärmeabfuhr können darin beste­ hen, daß der Frequenzumrichter, das ihn umgebende Gehäuse und der freie Gehäuseraum in besonderer Weise ausgebildet werden. So kann das Gehäuse des Frequenzumrichters als zur Umgebung hin druckfeste und flüssigkeitsdichte Kapsel ausgebildet sein und wenigstens teilweise mit einer Füllung als Wärmeleiter für die zur Kapseloberfläche hin zu füh­ rende Verlustwärme versehen sein. Wenn hohe Außendrücke zu erwarten sind, kann die Füllung die Kapsel in ihrer Form stabilisieren, wobei trotzdem die Kapselwand zwecks eines guten Wärmeüberganges verhältnismäßig dünn ausgebildet sein kann. Im übrigen wird die Füllung normalerweise aus einem elektrisch isolierenden Material bestehen, wie bei­ spielsweise aus einem schüttfähigen Feststoff oder aus einer Flüssigkeit.

Die Füllung kann aber auch aus einem schüttfähigen Fest­ stoff und einer Flüssigkeit bestehen, die einen Teil der Räume zwischen den Feststoffpartikeln zur Bildung eines Heat-Pipe-Systems ausfüllt, derart, daß die Flüssigkeit am Entstehungsbereich der Verlustwärme verdampft und der Dampf unter Abgabe von Kondensationswärme an der Kapsel­ innenfläche kondensiert, so daß das Kondensat schließ­ lich wieder dorthin zurückfließen kann, wo die Verlust­ wärme entsteht.

Das Ausgangssignal von Frequenzumrichtern kann bei einigen Frequenzumrichtertypen durch Betätigung von Schaltelementen verändert werden. Da diese Schaltelemente bei einem gekap­ selten Frequenzumrichter nicht ohne weiteres zugänglich sind, sollten bei einer solchen Ausführungsform die Schalt­ elemente mittelbar von außen durch die Kapselwand mechanisch oder elektromagnetisch betätigt werden können.

Weitere Möglichkeiten und Vorteile des erfindungsgemäßen Pumpenaggregates ergeben sich aus der nachfolgenden Be­ schreibung einiger Ausführungsbeispiele, die in der Zeich­ nung dargestellt sind. Es zeigt:

Fig. 1 die Seitenansicht eines stehenden, mehrstufi­ gen Kreiselpumpenaggregates in teilweisem Schnitt,

Fig. 2 den Längsschnitt durch ein Pumpenaggregat mit einem Naßläufermotor,

Fig. 3 die Ansicht einer mehrstufigen Kreiselpumpe in teilweisem Schnitt und

Fig. 4 den Schnitt durch einen Frequenzumrichter.

Gemäß Fig. 1 tritt das zu fördernde Wasser durch den Saugstutzen 1 in den Pumpenfuß 2 ein, durchläuft dann die jeweils mit Laufrädern ausgestatteten Pumpenstufen 3 der Pumpe 4 und verläßt diese durch den am Kopfstück 5 befind­ lichen Druckstutzen 6. Der die Pumpe antreibende Motor 7 ist durch das Zwischenstück 8 mit dem Kopfstück 5 der Pumpe verbunden, wobei die Wellenenden von Motor und Pumpe sowie die Kupplung vom Zwischenstück 8 verdeckt werden und somit nicht sichtbar sind.

Der durch Anwendung hochintegrierter Schaltkreise miniatu­ risierte Frequenzumrichter 9 ist bei diesem Ausführungs­ beispiel im Pumpenfuß 2 angeordnet. Er liegt mit einem Teil seiner Oberfläche im Strömungsweg des durch den Saug­ stutzen 1 in die Pumpe 4 eintretenden Wassers und gibt seine Verlustwärme über die Wand 10 an den Förderstrom ab.

In der Fig. 1 ist auch noch eine weitere Möglichkeit für die Anordnung eines Frequenzumrichters 9 a gestrichelt ein­ gezeichnet worden. In diesem Fall liegt der Frequenzumrich­ ter im Bypass zweier Pumpenstufen 3 und wird durch einen Teilstrom des von der Pumpe geförderten Wassers gekühlt, indem das über den Bypass abgezweigte Wasser durch nicht weiter dargestellte Kühlkanäle des Frequenzumrichters fließt und unter Aufnahme der Verlustwärme wieder zurück in die Pumpe 4 gelangt.

Eine andere mögliche Anordnung des Frequenzumrichters im Bypass zeigt die Fig. 2. Das dort dargestellte Inline- Pumpenaggregat ist bekannt und braucht deshalb nicht näher beschrieben zu werden. Das Gehäuse 11 der einstufigen Pum­ pe ist normalerweise am Saugstutzen 12 und Druckstutzen 13 mit Bohrungen 14 und 15 zur Messung des Differenz­ druckes versehen. Wenn man von der Bohrung 15 eine Leitung 16, die zweckmäßigerweise in einem bestimmten Bereich mit Kühlrippen 17 versehen ist, zum Frequenzumrichter 9 b führt und von diesem wiederum eine Leitung 18 zur Bohrung 14 führt, dann liegt der Frequenzumrichter im Bypass zur Pum­ pe. In diesem Fall kann der Frequenzumrichter auch bei Heißwasserförderung durch das Fluid gekühlt werden, weil der durch den Bypass fließende Teilstrom seine Wärme über die Leitung 16 und die Kühlrippen 17 an die Umgebung wei­ testgehend abgeben und in seinem Temperaturniveau dadurch derart abgesenkt wird, daß er als Kühlmittel für den Fre­ quenzumrichter genutzt werden kann.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 ist der Frequenzum­ richter 9 c zwischen dem Motor und der Pumpe 4 angeordnet, wobei die als Lüfterrad ausgebildete Kupplung 19 oder auch ein gesondert vorgesehenes und nicht weiter darge­ stelltes Lüfterrad für die Kühlung des Frequenzumrichters sorgen kann.

Wenn die äußeren Abmessungen des Frequenzumrichters den äußeren Abmessungen der Stufenkammern 3 angepaßt ist, kann der Frequenzumrichter 9 d entsprechend Fig. 3 auch zwischen zwei Pumpenstufen 3 im Strömungsweg des Fluids montiert werden.

Bei sehr heißen Fördermedien ist allerdings eine Fremd­ kühlung des Frequenzumrichters vorteilhaft. Im Zusammenhang mit der Darstellung nach Fig. 2 wird erklärt, wie man in diesem Fall beispielsweise vorgehen kann. Die Leitungen 16 und 18 sind zu entfernen und die Bohrungen 14 und 15 zu verschließen. Über die zur Vereinfachung gestrichelt dargestellten Leitungen 20 und 21 wird der Frequenzumrich­ ter 9 b mit einer externen Kühleinrichtung verbunden und mit Kühlmittel versorgt, das durch entsprechende Kühlkanäle im Frequenzumrichter strömt und die Verlustwärme aufnimmt und über die Leitung 21 abführt.

Die Fig. 4 zeigt eine der möglichen Ausführungsformen eines Frequenzumrichters 9 im Schnitt. Man erkennt eine aus den Teilen 22 und 23 bestehende flüssigkeitsdichte Kapsel, die mit einer die Kapselform stabilisierenden Fül­ lung 24 aus einem schüttfähigen Feststoff versehen ist. Die am Boden 23 der Kapsel auf einem Träger 25 angeordnete Elektronik 26 des Frequenzumrichters wird von der Feststof­ füllung 24 und auch von einer Flüssigkeit 27 umgeben, so daß der Frequenzumrichter als Heat-Pipe arbeiten kann. Die Flüssigkeit füllt im unteren Bereich der Kapsel die Räume zwischen den Feststoffpartikeln aus und kann bei entsprechend hoher Verlustwärme verdampfen. Der Dampf ver­ teilt sich dann nach oben zwischen den Feststoffpartikeln hindurch und kondensiert schließlich an der Kapselwand 22. Das Kondensat wird dann wieder zurück zum unteren Bereich der Kapsel fließen.

Bekanntlich kann das Ausgangssignal von Frequenzumrichtern durch Betätigung von Schaltelementen verändert werden. Da diese Schaltelemente 28 aufgrund der Kapselung des Frequenz­ umrichters nicht mehr von außen zugänglich sind, werden sie von außen durch die Kapselwand 22 hindurch mechanisch oder elektromagnetisch betätigt. Eine mechanische Betäti­ gung kann beispielsweise in der Weise erfolgen, daß die verhältnismäßig dünne Kapselwand mit einem Werkzeug im Bereich der Schaltelemente 28 verformt wird, um entspre­ chende Schaltvorgänge auszulösen. Andererseits besteht auch die Möglichkeit, die Kontakte der Schaltelemente von außen mit Hilfe eines Elektromagneten zu betätigen und hierdurch den Frequenzumrichter auf das gewünschte Ausgangs­ signal einzustellen.

Weiterhin ist es von Vorteil, wenn am Frequenzumrichter Steckkontakte 29 vorgesehen werden, die einerseits mit dem Eingang und Ausgang des Frequenzumrichters in Verbin­ dung stehen und andererseits auf Gegenkontakte geschoben werden können, um eine Verbindung mit dem elektrischen Versorgungsnetz, den Statorwicklungen oder externen Sen­ soren herzustellen.

Wenn der Frequenzumrichter innerhalb der Pumpe oder des Motors angeordnet wird, ergibt sich durch diese Bauweise schon zwangsläufig eine ausreichende Schirmung zur Umge­ bung hin. Auf jeden Fall entfallen die sonst not­ wendigen langen und geschirmten Leitungsverbindungen zu extern und mit großem Abstand vom Pumpenaggregat angeord­ neten Frequenzumrichtern.

Eine miniaturisierte Bauweise des Frequenzumrichters läßt sich durch Anwendung hochintegrierter Schaltkreise er­ reichen, wobei man für den Ausgangskreis des Frequenzum­ richters zweckmäßigerweise feldgesteuerte Transistoren verwendet. Im übrigen kann eine kleine Baugröße des Fre­ quenzumrichters vor allem auch dadurch erreicht werden, daß für eine einwandfreie Abfuhr der Verlustwärme gemäß der vorstehenden Beschreibung gesorgt wird.

Weiterhin wird noch darauf hingewiesen, daß nicht un­ bedingt alle zum Frequenzumrichter gehörenden Teile inner­ halb der Kapsel angeordnet werden müssen. Jedenfalls könn­ te der zum Zwischenkreis des Frequenzumrichters gehörende Kondensator 30, der sich gemäß Fig. 4 innerhalb der Kapsel befindet, entsprechend der Fig. 2 auch außerhalb der Kap­ sel am Motor angeordnet werden. Gleiches gilt sinngemäß für eine zum Zwischenkreis gehörende Induktivität, sofern der Frequenzumrichter nicht mit Spannungsspeicherbetrieb, sondern mit Stromspeicherbetrieb arbeitet. Eine externe Anordnung des Zwischenkreises führt zu einer weiteren Re­ duzierung der Baugröße des Frequenzumrichters. Unter dem Be­ griff "Frequenzumrichter" können im Rahmen der Erfindung allerdings auch sogenannte Direktumformer verstanden wer­ den, die bekanntlich ohne Zwischenkreis arbeiten.

Im übrigen kann die vom Ausgangskreis des Frequenzumrichters gelieferte Betriebsgröße auch durch interne oder externe Signale gesteuert werden. Zu diesem Zweck werden dem Fre­ quenzumrichter interne Sensoren, wie beispielsweise auf Strom, Spannung oder Temperatur ansprechende Sensoren, oder externe Sensoren und Stellglieder zugeordnet, die an die Steuerung des Frequenzumrichters angeschlossen werden. Solche externen Sensoren können beispielsweise auf Druck, Volumenstrom und Temperatur des Pumpenaggregates ansprechen. Externe Stellglieder können Zeitglieder sein, mit denen be­ stimmte Betriebsweisen des Frequenzumrichters für vorge­ gebene Zeiträume ein- oder abgestellt werden können.

Claims (13)

1. Pumpenaggregat zur Förderung von Flüssigkeiten oder Gasen, bestehend aus einer Pumpe und einem die Pumpe antreibenden Elektromotor, dessen Drehzahl und/oder Dreh­ moment mit einem statischen Frequenzumrichter veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der durch Anwendung hochintegrier­ ter Schaltkreise (26) miniaturisierte Frequenzumrichter (9) im oder am Aggregat (4, 7) angeordnet ist und mit diesem eine bauliche Einheit bildet und daß die Verlust­ wärme des Frequenzumrichters mit dem vom Aggregat ge­ förderten oder zu fördernden Fluid als Wärmesenke ab­ führbar ist.

2. Pumpenaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzumrichter (9) zumindest teilweise im Strömungsweg des genannten Fluids angeordnet ist.

3. Pumpenaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzumrichter (9) zur Abführung der Ver­ lustwärme an einen Bypass (16, 17, 18) der Pumpe (4) angeschlossen ist.

4. Pumpenaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzumrichter (9 c) zwischen der Pumpe (4) und dem Elektromotor (7) angeordnet ist und mit einem Lüfter (19) zwangsgekühlt wird.

5. Pumpenaggregat nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplung zwischen Pumpen- und Motorwelle als Lüfterrad (19) ausgebildet ist.

6. Pumpenaggregat nach einem der Ansprüche 1 und 2, be­ stehend aus mehreren Pumpenstufen, dadurch gekennzeich­ net, daß die äußeren Abmessungen des Frequenzumrichters (9 d) den äußeren Abmessungen der Pumpenstufenkammern (3) angepaßt sind.

7. Pumpenaggregat nach einem der Ansprüche 1 und 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Verlustwärme des Fre­ quenzumrichters (9 b) durch separate Kühlung (20, 21) abgeführt wird.

8. Pumpenaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß das Gehäuse des Frequenzum­ richters als zur Umgebung hin druckfeste und flüssig­ keitsdichte Kapsel (22, 23) ausgebildet ist und wenig­ stens teilweise mit einer Füllung (24, 27) als Wärme­ leiter für die zur Kapseloberfläche hin zu führende Verlustwärme versehen ist.

9. Pumpenaggregat nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllung (24, 27) die Kapsel (22, 23) in ihrer Form stabilisiert.

10. Pumpenaggregat nach einem der Ansprüche 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllung aus einem schüttfähigen Feststoff besteht.

11. Pumpenaggregat nach einem der Ansprüche 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllung aus einer Flüssigkeit besteht.

12. Pumpenaggregat nach einem der Ansprüche 8 und 9, da­ durch gekennzeichnet, daß die Füllung (24, 27) aus ei­ nem schüttfähigen Feststoff und einer Flüssigkeit besteht, die einen Teil der Räume zwischen den Feststoffpartikeln zur Bildung eines Heat-Pipe-Systems ausfüllt, derart, daß die Flüssigkeit am Entstehungsbereich der Verlust­ wärme verdampft und der Dampf unter Abgabe von Konden­ sationswärme an der Kapselinnenfläche kondensiert.

13. Pumpenaggregat nach einem der Ansprüche 8 bis 12, bei dem das Ausgangssignal des Frequenzumrichters durch Betätigung von Schaltelementen veränderbar ist, da­ durch gekennzeichnet, daß die Schaltelemente (28) mittelbar von außen durch die Kapselwand (22) mecha­ nisch oder elektromagnetisch betätigbar sind.