DE4435510C1 - Frequenzumrichtergespeistes Pumpenaggregat - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein frequenzumrichtergespeistes Pumpenaggre­ gat mit den im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Merkma­ len.

Die fortschreitende Miniaturisierung in der Elektronik hat es ermög­ licht, daß Pumpenaggregate, wie beispielsweise Heizungsumwälzpum­ pen mittlerer und großer Leistung heutzutage mit Frequenzumrichtern ausrüstbar sind, die unmittelbar am Motorgehäuse, und zwar in der Regel im Klemmenkasten des Motorgehäuses angeordnet sind. Diese Miniaturisierung insbesondere der Elektronikbauteile findet jedoch dort ihre Grenze, wo die in der Leistungselektronik entstehende Abwärme nicht mehr schnell genug oder genügend zuverlässig abge­ führt werden kann, so daß die Gefahr einer thermischen Überlastung dieser oder auch anderer im Klemmenkasten angeordneter elektroni­ scher Bauelemente besteht.

Durch die DE 40 15 080 A1 ist ein Elektromotor mit einem im Klemmenkasten des Motors integrierten Frequenzumrichter bekannt, bei dem besonde­ re bauliche Ausgestaltungen vorgenommen worden sind, um die in­ nerhalb der Leistungselektronik entstehende Wärme abzuführen. So ist dort bei einer Ausführung die Leistungselektronik an einer wär­ meleitenden Platte angeordnet, die wärmeleitend mit einer entspre­ chenden Anschlußfläche des Motorgehäuses verbunden ist, so daß die in der Leistungselektronik entstehende Wärme über das Motorgehäuse abgeführt werden kann.

Durch die DE 36 42 724 A1 ist ein frequenzumrichtergespeistes Pumpen­ aggregat bekannt, bei dem Ein- und Ausgangskreise des Frequenzum­ richters in einem Klemmenkasten aus Metall angeordnet sind, der als Kühlkörper zur Konvektionskühlung ausgebildet ist. Eine solche Anordnung wird insbesondere bei Pumpenaggregaten niederer Lei­ stung eingesetzt werden, da bei höheren Leistungen die Konvektions­ kühlung allein in der Regel nicht ausreichen wird.

Im übrigen ist durch die FR 2.174.660 ein Spannungsregler bekannt, dessen wärmeerzeugende Elektronikbauteile auf einer Platine angeordnet sind, die innerhalb eines zu einer Seite offenen, im übrigen aber geschlossenen Aluminiumgehäuses angeordnet und mittels Kunstharz mit diesem vergossen ist. Auch dort erfolgt die Kühlung über das mit Kühlrippen versehene Gehäuse durch Konvektion.

Die Leistung von Maschinen steigt in der Regel mit der dritten Potenz der linearen Abmessungen, die wärmeabführende Oberfläche hingegen steigt nur mit der zweiten Potenz der linearen Abmessun­ gen. Es ergibt sich daher insbesondere für Pumpenaggregate hoher Leistung ein Problem, die im Leistungsteil des Drehzahlstellers bzw. Frequenzumrichters entstehende Wärme abzuführen. Insbesondere bei Heizungsumwälzpumpen erreicht das Motorgehäuse häufig Tempera­ turen von deutlich über 100°C, so daß eine Wärmeabfuhr über das Motorgehäuse wirksam nur oberhalb dieses Temperaturbereiches erfolgen kann. Für die übrige im Klemmenkasten untergebrachte Elektronik, wie beispielsweise Startkondensator, integrierte Schalt­ kreise und dergleichen, kann ein solches Temperaturniveau jedoch schon unzulässig hoch sein.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Pumpenaggregat so auszubilden, daß eine unzulässig hohe Erwärmung von im Klemmenkasten angeordneten Bauteilen vermieden wird und ein möglichst kompakt bauendes und kostengün­ stig herzustellendes Aggregat geschaffen wird.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeich­ nenden Teil des Anspruches 1 aufgeführten Merkmale gelöst.

Die Erfindung sieht neben der Wärmeabfuhr der Leistungselektronik über das Motorgehäuse weiterhin vor, den Klemmenkasten selbst zur Wärmeabfuhr zu nutzen. Hierzu ist der Klemmenkasten aus metalli­ schem Werkstoff gefertigt und beispielsweise durch Berippung als Kühlkörper ausgebildet. Um zu verhindern, daß die wärmeerzeugende Leistungselektronik die übrigen elektrischen und/oder elektronischen Bauelemente im Klemmenkasten unzulässig hoch erwärmt, ist weiter­ hin ein im wesentlichen geschlossenes metallisches Zwischengehäuse vorgesehen, welches die Leistungselektronik gegenüber dem übrigen Klemmenkasten kapselt und zur wärmeleitenden Platte hin, also zur Anschlußfläche des Motors offen ist. Diese metallische Kapselung des Leistungsteiles verhindert weitgehend, daß Wärme aus der Leistungs­ elektronik in den übrigen Raum des Klemmenkastens gelangt. Die auf das Zwischengehäuse übertragene Wärme wird durch wärmeleitende Verbindung mit dem Klemmenkasten, der seinerseits als Kühlkörper ausgebildet ist, unmittelbar an die Umgebung abgegeben, ohne die übrige im Klemmenkasten angeordneten Bauelemente zu belasten. Es werden also mit der erfindungsgemäßen Lösung innerhalb des Klem­ menkastens mindestens zwei Räume unterschiedlichen Temperaturni­ veaus geschaffen, wobei die Anordnung der elektronischen Bauteile entsprechend ihrer Temperaturbelastbarkeit in diesen Räumen erfolgt.

Um eine zuverlässige Wärmeübertragung von der wärmeleitenden Platte an die Anschlußfläche des Motorgehäuses zu gewährleisten, ist der gesamte Klemmenkasten durch mindestens ein zweckmäßigerweise jedoch mehrere Federelemente gegenüber dem Motorgehäuse druck­ kraftbeaufschlagt. Diese Druckkraft wird jedoch nicht unmittelbar auf das Motorgehäuse, sondern über die wärmeleitende Platte an das Motorgehäuse geleitet. Auf diese Weise wird stets ein zuverlässiger Wärmeschluß sichergestellt. Der Klemmenkasten ist quasi indirekt über diese wärmeleitende Platte an der Anschlußfläche des Motorge­ häuses auch kraftschlüssig befestigt.

Um das Temperaturniveau innerhalb des übrigen Klemmenkastens weiter zu senken, ist es von Vorteil, wenn das Zwischengehäuse nach außen hin mit einer weiteren Wärmeisolierung umgeben wird.

Bevorzugt wird das Zwischengehäuse mit seiner vom Motor abge­ wandten Seite als Träger für eine darüberliegende Platine genutzt, die fest mit dieser bodenparallelen geschlossenen Seite des Zwischen­ gehäuses verbunden ist. In dieser Seite des Zwischengehäuses sind Ausnehmungen, durch welche die elektrischen Verbindungen zwischen der innerhalb des Zwischengehäuses befindlichen Leistungselektronik und der übrigen Elektronik erfolgt. Es kann somit eine direkte Ver­ drahtung zur Platine erfolgen, zweckmäßigerweise in starrer Anord­ nung durch Stifte oder Drähte. Auf diese Weise können aufwendige Kabeldurchführungen in das Zwischengehäuse entfallen. Da das Zwischengehäuse mit dem Klemmenkastenrumpf verbunden ist, bildet dieses eine stabile Auflagefläche für die Platine und insbesondere auch für Bauelemente mit hohem Eigengewicht.

Die Befestigung des Klemmenkastens erfolgt vorzugsweise über Bolzen, welche von der Innenseite des Klemmenkastenbodens her mit dem Motorgehäuse verschraubt sind, wobei zwischen dem Klemmen­ kastenboden und dem Kopf des Bolzens eine diesen umgebende Schraubenfeder vorgesehen ist, mit der die erforderliche Druckkraft aufgebracht wird, welche die wärmeleitende Platte an die Anschlußfläche preßt. Hierdurch kann in einfacher Weise eine formschlüssige Sicherung des Klemmenkastens einerseits und eine schwimmende Lagerung andererseits realisiert werden, die stets für die bestim­ mungsgemäße wärmeleitende Anlage der Platte an der Anschlußfläche des Motorgehäuses sorgt.

Zwar kann das Zwischengehäuse am Rumpf des Klemmenkastens schraubbefestigt sein, doch ist es fertigungstechnisch sowie aus Gründen einer guten Wärmeleitung von besonderem Vorteil, wenn der Klemmenkastenrumpf einstückig mit dem Zwischengehäuse ausgebildet ist.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 in schematischer perspektivischer Darstellung eine Ansicht des Pumpenaggregates mit Klemmenkasten,

Fig. 2 eine Draufsicht auf das in Fig. 1 dargestellte Pumpen­ aggregat mit im Schnitt dargestelltem Klemmenkasten und

Fig. 3 in vergrößerter Darstellung die Einzelheit III in Fig. 2.

Das Pumpenaggregat besteht aus einem Pumpengehäuse 1 mit einem Saugstutzen 2 und einem Druckstutzen 3, die jeweils als Anschlußflansche ausgebildet sind. Innerhalb des Pumpengehäuses 1 läuft ein Kreiselrad, das von einem Elektromotor angetrieben wird, der innerhalb eines Motorgehäuses 4 sitzt, das lösbar mit dem Pumpengehäuse 1 verbunden ist. Das Motorgehäuse 4 hat eine im wesentlichen kegelstumpfförmige Form und ist am Außen­ umfang berippt ausgebildet. Es weist eine zwischen den Stutzen 2 und 3 ausgebildete Flachseite auf, welche eine plane Anschluß­ fläche 5 für eine wärmeleitende Platte 6 bildet, die eine zum Motorgehäuse 4 gerichtete Ausnehmung im Boden 7 eines Klem­ menkastens 8 im wesentlichen abschließt.

Der Klemmenkasten 8 ist wie das Pumpengehäuse 1 und das Motorgehäuse 4 aus metallischem Werkstoff hergestellt. Es be­ steht aus einem Rumpfteil 9, der nach außen hin durch zwei berippte Deckel 10 und 11 abschließbar ist. Der Rumpfteil 9 umfaßt den Klemmenkastenboden 7 sowie vier Seitenwände, die etwa radial zur Motorachse gerichtet sind. Die Form im einzelnen ergibt sich aus den Darstellungen nach den Fig. 1 und 2.

Die wärmeleitende Platte 6 trägt an ihrer der Anschlußfläche 5 abgewandten Seite die Leistungshalbleiter der Frequenzumrichter­ elektronik, die wärmeleitend mit dieser Platte 6 verbunden sind. Überdeckt ist diese wärmeleitende Platte 6 von einem etwa qua­ derförmigen, jedoch zum Motorgehäuse 4 hin offenen metalli­ schen Zwischengehäuse 12, das mit seinen Seiten am Boden 7 des Klemmenkastens 8 anliegt und entweder wie bei der Ausführung nach den Figuren mit dem Klemmenkastenboden schraubbefestigt ist oder aber einstückig mit dem Rumpfteil ausgebildet ist. Das zur Anschlußfläche 5 hin offene Zwischengehäuse 12 wird durch die wärmeleitende Platte 6 abgeschlossen. Der Raum zwischen der wärmeleitenden Platte 6 und dem Zwischengehäuse 12, in dem die Leistungshalbleiter angeordnet sind, ist mit einem wärmeleitenden Kunststoff ausgegossen. Die Außenseite des Zwischengehäuses ist mit einer aus Kunststoff bestehenden zusätzlichen Wärmeisolie­ rung versehen, die zugleich auch eine elektrische Isolierung bildet.

Die zur Anschlußfläche 5 parallele Deckelseite 13 des Zwischen­ gehäuses trägt eine darüberliegende Platine 14, welche durch Ausnehmungen in dieser Deckelseite 13 hindurch direkt mit der darunter­ liegenden Leistungselektronik verbunden ist. Zu diesem Zweck sind starre Leiter durch die Deckelseite 13 geführt, die auf der Platine 14 eingelötet oder eingeschweißt sind. Derartige eigen­ stabile Kontakte 15 sind auch zur anderen Seite der Platine 14 angeordnet, welche weitere darüberliegende nicht dargestellte Plati­ nen oder Bauteile elektrisch verbinden.

Der Rumpfteil 9 des Klemmenkastens 8 liegt mit geringem Ab­ stand am Motorgehäuse 4 an, wie dies anhand von Fig. 3 ersicht­ lich ist. Im Boden 7 des Rumpfteiles 9 des Klemmenkastens 8 sind Bohrungen vorgesehen, welche von Schraubbolzen 16 durchsetzt sind, die im Motorgehäuse 4 festgelegt sind. Die Köpfe 17 der Schraubbolzen 16 liegen jedoch nicht wie sonst üblich am Klem­ menkasten direkt an, es sind, wie aus Fig. 3 ersichtlich, Schrau­ benfedern 18 jeweils zwischen einen Schraubenkopf 17 und der Anlagefläche am Boden 7 des Klemmenkastens 8 eingegliedert. Diese Schraubenfedern 18 sind vorgespannt und drücken den gesamten Klemmenkasten über das damit verbundene Zwischenge­ häuse 12 und die damit verbundene wärmeleitende Platte 6 an die Anschlußfläche 5. Der Klemmenkasten liegt somit nur im Bereich seiner wärmeleitenden Platte 6 als Wärmeanschluß am Motorge­ häuse 4 an, ist im übrigen aber schwimmend gelagert, so daß sich unabhängig von Fertigungstoleranzen stets ein guter Wärmeschluß zwischen Platte 6 und Anschlußfläche 5 bildet.

Durch die vorbeschriebene Auslagerung der Leistungselektronik in den vom Zwischengehäuse 12 abgeschlossenen Bereich und die Berippung des Motorgehäuses im Bereich der Deckel 10 und 11 kann erreicht werden, daß das Temperaturniveau im übrigen Klemmenkasten deutlich unter dem Temperaturniveau der Lei­ stungselektronik liegt, deren Wärme über das Pumpengehäuse bzw. die Förderflüssigkeit abgeführt wird. Auf diese Weise ist es möglich, trotz hoher Wärmeleistung der Leistungselektronik auch die übrigen Elektronikbauteile im Klemmenkasten anzuordnen.

Claims (7)

1. Frequenzumrichtergespeistes Pumpenaggregat mit einem Elektromotor und einer davon angetriebenen Kreiselpumpe und mit einem am Motorgehäuse (4) befestigten Klemmenkasten (8) mit darin befindlichem Frequenzumrichter, wobei der Boden (7) des Klemmenkastens (8) zur Abfuhr von im Leistungsteil des Frequenzumrichters erzeugter Wärme durchbrochen ist, im Bereich der Durchbrechung eine wärmelei­ tende Platte (6) angeordnet ist, die wärmeleitend mit einer ent­ sprechenden Anschlußfläche (5) des Motorgehäuses (4) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Klemmenkasten (8) aus metallischem Werkstoff besteht und als Kühlkörper zur Konvek­ tionskühlung ausgebildet ist, daß die wärmeerzeugenden Bauteile der Leistungselektronik durch ein zur Durchbrechung hin offenes, im übrigen aber im wesentlichen geschlossenes metallisches Zwischengehäuse (12) derart gekapselt sind, daß im Klemmenka­ sten (8) mindestens zwei Räume unterschiedlichen Temperatur­ niveaus gebildet sind.
2. 2. Pumpenaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Klemmenkasten (8) durch mindestens ein Federelement (18) gegenüber dem Motorgehäuse (4) unter Druckkraft befestigt ist und daß diese Druckkraft über die wärmeleitende Platte (6) an das Motorgehäuse (4) geführt ist.
3. 3. Pumpenaggregat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischengehäuse (12) am Boden (7) des Klemmenkastens (8) befestigt ist.
4. 4. Pumpenaggregat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischengehäuse (12) an seiner Außenseite mit einer Wärmeisolierung umgeben ist.
5. 5. Pumpenaggregat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischengehäuse (12) an der boden­ parallelen geschlossenen Seite (13) fest mit einer Platine (14) ver­ bunden ist, die ihrerseits mit elektrischen Leitern oder Kontakten (15) verbunden ist, und daß die elektrischen Verbindungen zwischen dieser Platine und der im Zwischengehäuse (12) befindlichen elek­ tronischen Bauelemente durch Ausnehmungen in dieser Gehäuseseite (13) geführt sind.
6. 6. Pumpenaggregat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Federkraft durch im Klemmenkasten (8) angeordnete Schraubenfedern (18) aufgebracht wird, welche am Boden (7) des Klemmenkastens (8) einerseits und an Köpfen (17) von diesen durchgreifenden und am Motorgehäuse (4) festgelegten Bolzen (16) vorgespannt anliegen.
7. 7. Pumpenaggregat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Klemmenkastenrumpf (9) und das Zwischengehäuse (12) einstückig ausgebildet sind.