DE3642729C3 - Pumpenaggregat zur Förderung von Flüssigkeiten oder Gasen - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem Pumpenaggregat zur Förderung von Flüssigkeiten oder Gasen, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

In der Literatur versteht man unter "Pumpen" sowohl Flüssigkeitspumpen als auch Lüfter und Gebläse, insbesondere solche, die mit niedrigem Druckverhältnis arbeiten, so daß bei letzteren die Kompressibilität des zu fördernden Fluids bei der konstruktiven Gestaltung der Arbeitsmaschine nicht berücksichtigt werden muß. Es gelten die bekannten Modellgesetze, nämlich für Verdrängermaschinen P ∼ n · D³ und für Strömungsmaschinen P ∼ n³ · D⁵, wobei P für die Leistung, n für die Drehzahl und D für eine charakteristische Abmessung des energieübertragenden Bauelementes der Maschine stehen. Man erkennt, daß die Leistung einer Verdrängermaschine linear mit der Drehzahl steigt, während die Leistung einer Strömungsmaschine dagegen mit der dritten Potenz der Drehzahl steigt. Die genannten Modellgesetze zeigen die Wirkung der Betriebsdrehzahl auf die 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 jedoch hinsichtlich der Drehzahl in der Regel an die Frequenz des elektrischen Versorgungsnetzes gebunden. Aus diesem Grunde werden in zunehmendem Maße Frequenzumrichter eingesetzt (Maschinenmarkt, Würzburg 91 (1985) 70, Seiten 1363-1365), die dem Anwender neben den genannten Vorteilen weitere Möglichkeiten bieten. Er kann nämlich baulich gleiche Aggregate mit unterschiedlicher Drehzahl betreiben, um verschiedene Aufgaben zu lösen, wobei gleichzeitig das Ersatzteillager reduziert werden kann. Weiterhin ist der Anwender 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.

Der für die Nutzung dieser Vorteile erforderliche Frequenzumrichter ist aber wegen seiner erheblich großen Abmessungen von dem Pumpenaggregat getrennt aufgestellt. Neben dem Nachteil, daß der Frequenzumrichter besonders im niedrigen Leistungsbereich den Preis des Pumpenaggregates normalerweise weit übersteigt, besteht ein weiterer Nachteil darin, 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.

In der DE-AS 18 08 856 ist ein gattungsgemäßes Pumpenaggregat beschrieben, dessen Drehzahlregelung mittels eines Drehzahlstellers in Form eines Widerstandes erfolgt, wobei der Widerstand in wärmeaustauschender Beziehung mit dem Fördermedium steht und im Motorraum des Aggregates angeordnet ist. Die Wärmeabfuhr von dem Widerstand ist daher begrenzt.

In der CH-PS 6 51 111 ist ein Pumpenaggregat offenbart, dessen Elektromotor mittels eines Frequenzumrichters drehzahlgesteuert wird, der in einer zwar angegliederten, aber außerhalb des Pumpen- und des Motorgehäuses befindlichen, ungünstig plazierten Kammer vorgesehen ist. Der Frequenzumrichter ist herkömmlicher großer Bauart und seine Kühlung erfolgt über die Kammerwände hindurch durch die Umgebungsluft, wodurch die Kühlwirkung sehr begrenzt ist. Die große Bauart des Umrichters führt außerdem zu einem entsprechend großen Aggregatgehäuse.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Pumpenaggregat der einleitend angeführten Art so zu verbessern, daß ein Pumpenaggregat für insbesondere kleine und mittlere Leistungen geschaffen ist, das universell einsetzbar ist, bei dem keine Probleme hinsichtlich des Abtransportes der in der Leistungselektronik des Frequenzumrichters erzeugten Verlustwärme auftreten und das darüber hinaus von einer äußerst kompakten Bauform ist.

Die Lösung dieser Aufgabe ist in dem Patentanspruch 1 aufgeführt.

Da die als Wärme abzuführende Verlustleistung eines Gerätes mindestens mit der dritten Potenz seiner linearen Abmessungen steigt, die Oberfläche zur Abgabe seiner Verlustwärme an die Umgebung jedoch nur mit der zweiten Potenz seiner linearen Abmessungen wächst, so ergibt sich für das Gerät bei vorgegebener Leistung eine bestimmte minimale Baugröße. Diese hängt von der Temperaturdifferenz zwischen der Wärmequelle des Gerätes und der Wärmesenke einerseits und von der Größe der Wärmewiderstände auf dem Weg des Wärmeflusses andererseits ab. Je niedriger die Wärmewiderstände sind, um so kleiner kann dann schließlich das Gerät gebaut werden. Diese Hinweise sind zum Verständnis des theoretischen Hintergrundes der Erfindung von Bedeutung. Die Elektronik erlaubt es heute, Geräte sehr klein zu bauen, wenn die zulässige Arbeitstemperatur nicht überschritten wird. Die Temperaturgrenze läßt sich auch beim Verkleinern der baulichen Abmessungen einhalten, falls man Wärmesenken tiefer Temperatur findet und die Wärmeübergangszahlen an der die Verlustwärme abgebenden Oberfläche erhöht.

Durch den erfindungsgemäßen Einbau eines miniaturisierten Frequenzumrichters in das Pumpenaggregat wird auf einfache Weise die Möglichkeit geschaffen, das geförderte als Wärmesenke unmittelbar zu nutzen. Während bei den bisher bekannten und weiter entfernt separat aufgestellten oder näher liegend separat gehaltenen Frequenzumrichtern die Verlustwärme durch freie Konvektion an die Umgebungsluft abgeführt wird, können nun die Wärmeverluste beispielsweise bei turbulenter Strömung des Fluids durch erzwungene Konvektion abgeführt werden. Bei einer Kühlung durch Wasser ist mit Wärmeübergangszahlen zu rechnen, die um zwei bis drei Zehnerpotenzen über den Wärmeübergangszahlen liegen, die bei einer freien Konvektion in Luft maßgebend sind. Die Kompaktheit des Aggregates wird dadurch erzielt, indem die Außenabmessungen des Frequenzumrichters der äußeren Abmessungen der Pumpenstufenkammern angepaßt sind, so daß der Frequenzumrichter nicht über die Pumpenstufenkammern hinausragt.

Weitere Maßnahmen zur Reduzierung des Wärmewiderstandes und zur Verbesserung der Wärmeabfuhr können darin bestehen, daß der Frequenzumrichter, das ihn umgebende Gehäuse und der freie Gehäuseraum in besonderer Weise ausgebildet sind. 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 führende 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 beispielsweise aus einem schüttfähigen Feststoff oder aus einer Flüssigkeit.

Die Füllung kann aber auch aus einem schüttfähigen Feststoff 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 Kapselinnenfläche kondensiert, so daß das Kondensat schließlich wieder dorthin zurückfließen kann, wo die Verlustwärme entsteht.

Die Erfindung ist nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigt

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

Fig. 2 die Ansicht eines erfindungsgemäßen mehrstufigen Kreiselpumpenaggregates in teilweisem Schnitt,

Fig. 3 den Schnitt durch einen Frequenzumrichter.

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

Ein durch Anwendung hochintegrierter Schaltkreise miniaturisierter Frequenzumrichter 9 ist bei diesem Ausführungsbeispiel im Pumpenfuß 2 angeordnet. Er liegt mit einem Teil seiner Oberfläche im Strömungsweg des durch den Saugstutzen 1 in die Pumpe 4 eintretenden Wassers und gibt seine Verlustwärme über seine Wand 10 an den Förderstrom ab.

Bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform nach Fig. 2 ist der Frequenzumrichter 9a in Anpassung seiner äußeren Abmessungen an die äußeren Abmessungen der Stufenkammern 3 zwischen zwei Pumpenstufen 3 im Strömungsweg des Fluids montiert.

Die Fig. 3 zeigt eine mögliche Ausführungsform eines Frequenzumrichters 9 im Schnitt. Man erkennt eine aus den Teilen 22 und 23 bestehende flüssigkeitsdichte Kapsel, die mit einer die Kapselform stabilisierenden Füllung 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 Feststoffüllung 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 verteilt 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 Frequenzumrichters nicht mehr von außen zugänglich sind, werden sie von außen durch die Kapselwand 22 hindurch mechanisch oder elektromagnetisch betätigt. Eine mechanische Betätigung kann beispielsweise in der Weise erfolgen, daß die verhältnismäßig dünne Kapselwand mit einem Werkzeug im Bereich der Schaltelemente 28 verformt wird, um entsprechende 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 Ausgangssignal einzustellen.

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

Da der Frequenzumrichter innerhalb der Pumpe angeordnet ist, ergibt sich durch diese Bauweise schon zwangsläufig eine ausreichende Schirmung zur Umgebung hin. Auf jeden Fall entfallen die sonst notwendigen langen und geschirmten Leitungsverbindungen zu extern und mit großem Abstand vom Pumpenaggregat angeordneten Frequenzumrichtern.

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

Unter dem Begriff "Frequenzumrichter" können im Rahmen der Erfindung allerdings auch sogenannte Direktumformer verstanden werden, 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 Frequenzumrichter 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 bestimmte Betriebsweisen des Frequenzumrichters für vorgegebene Zeiträume ein- oder abgestellt werden können.

Claims (7)

1. Pumpenaggregat zur Förderung von Flüssigkeiten oder Gasen, bestehend aus einer Pumpe und einem die Pumpe antreibenden Elektromotor, dessen Drehzahl und/oder Drehmoment mit einem Drehzahlsteller veränderbar ist, der im Pumpenaggregat angeordnet ist und mit diesem eine bauliche Einheit bildet und dessen Verlustwärme mit dem vom Aggregat geförderten Fluid als Wärmesenke abführbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehzahlsteller ein durch Anwendung hochintegrierter Schaltkreise miniatu­ risierter Frequenzumrichter (9a) ist, daß der Frequenzumrichter (9a) zumindest teilweise im Strömungsweg des Fluids angeordnet ist, daß die Pumpe (4) mehrere Pumpenstufen aufweist und daß die äußeren Abmessungen des Frequenzumrichters (9a) den äußeren Abmessungen der Pumpenstufenkammern (3) angepaßt sind.

2. Pumpenaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse des Frequenzumrichters (9a) als zur Umgebung hin druckfeste und flüssigkeitsdichte Kapsel (22, 23) ausgebildet ist und wenigstens teilweise mit einer Füllung (24, 27) als Wärmeleiter für die zur Kapseloberfläche hinzuführende Verlustwärme versehen ist.

3. Pumpenaggregat nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllung (24, 27) die Kapsel (22, 23) in ihrer Form stabilisiert.

4. Pumpenaggregat nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllung aus einem schüttfähigen Feststoff besteht.

5. Pumpenaggregat nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllung aus einer Flüssigkeit besteht.

6. Pumpenaggregat nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllung (24, 27) aus einem 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 Verlustwärme verdampft und der Dampf unter Abgabe von Kondensationswärme an der Kapselinnenfläche kondensiert.

7. Pumpenaggregat nach einem der Ansprüche 2 bis 6, bei dem das Ausgangssignal des Frequenzumrichters durch Betätigung von Schaltelementen veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltelemente (28) mittelbar von außen durch die Kapselwand (22) mechanisch oder elektromagnetisch betätigbar sind.