EP3755907B1

EP3755907B1 - Kühlmittelpumpe mit optimierter lageranordnung und verbessertem wärmehaushalt

Info

Publication number: EP3755907B1
Application number: EP18808277.0A
Authority: EP
Inventors: Franz Pawellek
Original assignee: Nidec GPM GmbH
Current assignee: Nidec GPM GmbH
Priority date: 2018-02-22
Filing date: 2018-11-21
Publication date: 2023-07-19
Anticipated expiration: 2038-11-21
Also published as: WO2019161950A1; US20210079920A1; CN111601971A; US11306723B2; DE102018104015A1; BR112020014776A2; CN111601971B; EP3755907A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Kühlmittelpumpe, deren Aufbau durch eine Kombination aus einer Lagerung, Abdichtung und Elektromotor in Bezug auf Kosten, Bauraum und Lebensdauer auf das Anwendungsgebiet einer Zusatzwasserpumpe optimiert ist, und welche eine unter Berücksichtigung dieses Anwendungsgebiets optimierte Lageranordnung und einen verbesserten Wärmehaushalt aufweist.
Derartige elektrische Zusatzwasserpumpen werden zur Zirkulation von Teilbereichen eines kühlmittelführenden Thermomanagementsystems eines Fahrzeugs verwendet, das mit einer Verbrennungsmaschine und einer Hauptwasserpumpe ausgestattet ist, um sogenannte Hotspots an Komponenten von Hilfseinrichtungen, wie an einer Abgasrückführung, an einem Turbolader, an einer Ladeluftkühlung oder dergleichen flexibler zu kühlen. Aufgrund der Redundanz zur Hauptwasserpumpe und der erhöhten Anzahl von Leitungen und Knotenpunkten bestehen für die Gattung solcher Zusatzwasserpumpen ein hoher Preisdruck sowie hohe Anforderungen an eine kompakte Bauform mit geringen Abmessungen zur Integration in einem komplexen Packaging moderner Thermomanagementsysteme.
In bislang etablierten Produkten von elektrischen Zusatzwasserpumpen werden, u.a. aufgrund der einfacheren Abdichtung in dem relativ kleinen Pumpenaufbau, Nassläufer-Elektromotoren vom Innenläufertyp eingesetzt. Der Einsatz von Nassläufer-Elektromotoren, an denen typischerweise der Stator durch ein Spaltrohr oder dergleichen gegenüber dem Rotor trocken abgekapselt ist und der Rotor sowie eine Lagerung auf einen Betrieb im Fördermedium ausgelegt sind, stellen eine bekannte Maßnahme dar, um der Problemstellung einer Leckage an einer Wellendichtung und einem Defekt einer Wellenlagerung zu begegnen.
Nassläufer weisen jedoch einen schlechteren Wirkungsgrad auf, da der Spalt zwischen dem Stator und dem Rotor zur Aufnahme eines Spaltrohrs größer ausfällt und eine auf den Rotor wirkende Feldstärke hierdurch abgeschwächt wird. Zudem tritt an dem Rotor Flüssigkeitsreibung auf, wodurch gerade bei den verhältnismäßig klein dimensionierten Pumpenantrieben von Zusatzwasserpumpen der Wirkungsgrad weiter abnimmt. Darüber hinaus treten an Nassläufern Probleme bei tiefen Temperaturen, wie Eisbildung im Spalt zwischen dem Stator und dem Rotor auf.
An größeren Pumpen wie den elektrischen Hauptwasserpumpen werden aufgrund des besseren Wirkungsgrads auch Trockenläufer-Elektromotoren eingesetzt. Zur Lagerung von Pumpenwellen, die von einem Trockenläufer-Elektromotor angetrieben werden, kommen überwiegend Wälzkörperlager, wie z.B. Kugellager zum Einsatz, die sowohl axiale und radiale Belastungen aufnehmen und geringe Reibwerte erzielen.
Allerdings sind Wälzkörperlager im Allgemeinen empfindlich gegen eindringende Feuchtigkeit, da die verwendeten Materialen, insbesondere geeignete Stähle von Wälzkörpern, für die Anwendung in Feuchtigkeit nicht ausreichend korrosionsbeständig sind. Ein Eintreten von Feuchtigkeit führt durch Korrosion zur Herabsetzung der Oberflächengüte der Wälzkörper und Laufbahnen, was in einer höheren Reibung des Lagers sowie entsprechender Wärmeentwicklung und weiteren Folgeschäden an Lagern und Dichtungen resultiert. Infolgedessen müssen die ohnehin kostenintensiven Wälzkörperlager in Pumpen an beiden Stirnseiten mit nochmals kostenintensiven Dichtungen versehen werden, die eine reibungsarme und zuverlässige Abdichtung gegen die auftretenden Arbeitsdrücke in der Pumpenkammer sicherstellen.
Neben dem Kostennachteil verursachen entsprechende Dichtungen stets eine geringe Leckage und stellen oftmals den begrenzenden Faktor der Lebensdauer einer Pumpe dar, da sie per se dem Reibungsverschleiß und einer Versprödung durch Druck- und Temperaturschwankung unterliegen.
Aus der Patentanmeldung DE 196 39 928 A1 ist zudem eine mechanisch angetriebene Wasserpumpe bekannt, bei welcher eine mit einem Pumpenlaufrad verbundene Welle über ein Sinterlager gelagert ist und der Lagerspalt durch einen Teil des Fördermediums geschmiert wird. Die offenbarte Wasserpumpe wird als Hauptwasserpumpe verwendet und über einen Riemen extern angetrieben. Als Zusatzwasserpumpen verwendete Wasserpumpen stellen im Vergleich dazu erhöhte Anforderungen hinsichtlich einer variablen Steuerung des Fördervolumens der Pumpe, so dass ein Riemenantrieb in diesem Zusammenhang ungeeignet erscheint. Aufgrund der Verwendung des Riemenantriebs herrschen in dieser bekannten Wasserpumpe im Vergleich zu elektrischen Wasserpumpen mit integriertem Elektromotor zudem grundsätzlich andere thermische Bedingungen, da der durch integrierte Elektromotoren eingebrachte Wärmebetrag entfällt. Dieser Wärmebetrag ist insbesondere bei der Verwendung von Trockenläufer-Elektromotoren bedeutend, da die erzeugte Wärme in diesem Fall nicht durch ein den Elektromotor umspülendes Fördermedium abgeführt werden kann. Eine elektrische Kühlmittelpumpe offenbart auch DE 100 12 662 A1 .
Somit können bei herkömmlichen Kühlmittelpumpen Betriebszustände auftreten, in welchen das Gleitlager selbst und ferner wärmeerzeugende Elemente, wie eine Steuereinheit bzw. Platine oder der Stator des Elektromotors, nicht ausreichend gekühlt werden.
Bei herkömmlichen Kühlmittelpumpen mit Nassläufer-Elektromotoren sind zudem die Lagerspiele im Gleitlager der Welle in einem Bereich von 0,1 bis 0,2 mm recht groß eingestellt, um zu verhindern, dass Verunreinigungen (Partikel) im Fördermedium Klemmeffekte im Gleitlager herbeiführen und/oder den Wellendichtring beschädigen. Diese erhöhten Lagerspiele führen aufgrund von radialen Verlagerungen der Welle darüber hinaus zu einer erhöhten Geräuschemission der Pumpe.
Darüber hinaus werden bei bekannten Kühlmittelpumpen häufig Gleitlager aus technischer Kohle oder hochwertigen Polymeren eingesetzt und diese Werkstoffe sind vergleichsweise teuer.
Basierend auf den Problemstellungen des diskutierten Stands der Technik, besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, einen einfachen, kostengünstigen, langlebigen und kompakten Pumpenaufbau für einen Trockenläufer-Elektromotor mit verbesserter Geräuschemission und verbesserter Kühlung zu schaffen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine elektrische Kühlmittelpumpe nach Anspruch 1 gelöst.
Die elektrische Kühlmittelpumpe zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass eine radiale Lagerung der Welle mittels eines kühlmittelgeschmierten (nicht mit Schmierstoff getränkten bzw. imprägnierten) radialen Sintergleitlagers mit einer definierten Porosität bereitgestellt ist, das zwischen dem Pumpenlaufrad und dem Rotor angeordnet ist, und dass eine Wellendichtung zwischen dem radialen Gleitlager und der Motorkammer angeordnet ist, wobei in dem Sintergleitlager in axialer Richtung zumindest ein Kühlmittelströmungskanal mit einer vorbestimmten Tiefe ausgehend von dem Ende des Sintergleitlagers auf der Seite der Pumpenkammer vorgesehen ist.
Der Erfindung in ihrer allgemeinsten Form liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch die erfindungsgemäße Auswahl, Kombination und Anordnung der einzelnen Komponenten der Pumpe eine vereinfachte und langlebige Lagerung der Welle und eine effektive Wärmeableitung aus dem Gleitlager selbst und von weiteren in der Motorkammer angeordneten Elementen, wie dem Elektromotor, in das Fördermedium erzielt werden, wodurch darüber hinaus die den Aufgabenstellungen entsprechenden Vorteile konstruktiver und wirtschaftlicher Art verschafft werden.
Die Erfindung sieht erstmals vor, ein kühlmittelgeschmiertes, nicht mit Schmierstoff getränktes radiales Sintergleitlager mit einer definierten Porosität und einem axialen Kühlmittelströmungskanal bei einer elektrischen Kühlmittelpumpe vorzusehen. Die Verwendung eines durch das Fördermedium geschmierten porösen Sinterlagers ist zum einen kostengünstig, da ein Tränkvorgang bzw. ein Nachtränken des Sinterlagers entfallen kann, zum anderen ermöglicht die vorbestimmte Porosität des Sinterlagers im Zusammenwirken mit dem Kühlmittelströmungskanal eine definierte Kühlmittelströmung durch das Gleitlager hindurch und eine Filterung des Fördermediums durch das Gleitlager selbst. In diesem Zusammenhang dient der axiale Abschnitt des porösen Sintergleitlagers, in welchem der Kühlmittelströmungskanal nicht vorgesehen ist, als ein Filterelement für das Fördermedium und es muss kein separates Filterelement vorgesehen werden. Durch die definierte Kühlmittelströmung kann Wärme von dem Gleitlager selbst und den mit diesem verbundenen Elementen der Pumpe, wie dem Stator oder der Steuereinheit, und auch der Wellendichtung besser in das Fördermedium abgeführt und somit der Wärmehaushalt der Kühlmittelpumpe verbessert werden. Zudem ermöglicht die Verwendung des Sintergleitlagers die Einstellung kleiner Lagerspiele, da die Wärmeausdehnung des Sinterlagers und der Welle bei entsprechender Werkstoffauswahl geeignet angepasst werden kann.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Zusatzwasserpumpe sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann sich der Kühlmittelströmungskanal in der axialen Richtung ausgehend von dem Ende des Sintergleitlagers auf der Seite der Pumpenkammer über etwa 90 % der Bauteiltiefe des Sintergleitlagers erstrecken.
Dadurch kann sich das Fördermedium sehr rasch und gleichmäßig über die gesamte axiale Länge des porösen Sintergleitlagers verteilen und in dieses eindringen, wodurch die Schmierung der Lagerstelle sichergestellt werden kann. Darüber hinaus kann der verbleibende, nicht mit dem Kühlmittelströmungskanal vorgesehene axiale Endabschnitt des porösen Sintergleitlagers auf der Seite entgegengesetzt zu der Pumpenkammer, welcher in axialer Richtung etwa 10 % der Bauteiltiefe des Sintergleitlagers einnimmt, eine ausreichende Filterung des Fördermediums sicherstellen. Darüber hinaus kann durch diese Konfiguration die definierte Kühlmittelströmung in axialer Richtung durch das poröse Gleitlager hindurch und anschließend durch den Lagerspalt der Gleitlagers zurück hin zu der Pumpenkammer zuverlässiger eingestellt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann das Lagerspiel im Sintergleitlager der Welle auf unter 10 µm eingestellt sein.
Durch eine ähnliche Wärmeausdehnung des Sintergleitlagers und der Welle bei entsprechender Werkstoffauswahl (beispielsweise Sintereisen/Sinterbronze, Stahlwelle) kann ein sehr kleines Lagerspiel eingestellt werden und dadurch können radiale Verlagerungen der Rotorwelle eingeschränkt und somit die Geräuschemission der Pumpe reduziert werden. Darüber hinaus wird durch das kleine Lagerspiel verhindert, dass Verunreinigungen (Partikel) im Fördermedium in den Lagerspalt eindringen und Klemmeffekte im Gleitlager herbeiführen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann die Porosität des Sintergleitlagers auf über 40 % eingestellt sein.
Dadurch kann sich das Fördermedium im porösen Sintergleitlager rasch und gleichmäßig verteilen, wodurch eine zuverlässige Schmierung des Gleitlagers sichergestellt werden kann. Zudem kann aufgrund des hohen Porengehalts die Strömung des Fördermediums im Inneren des Gleitlagers und somit der Wärmetransport von dem Gleitlager in das Fördermedium gefördert werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann der Rotor in einer Topfform ausgebildet sein, deren Innenfläche zur Wellendichtung zugewandt sowie mit dieser axial überschneidend auf der Welle fixiert ist.
Dadurch werden Flüssigkeitstropfen einer Leckage hinter der Wellendichtung durch radiale Beschleunigung an der Innenfläche des Rotors zwangsweise durch den Luftspalt des Trockenläufers zwischen den offenen Feldspulen des Stators und den magnetischen Polen des Rotors hindurch geführt, bevor sie in eine Motorkammer mit Elektronik gelangen können. Dabei werden die Leckagetropfen durch die Betriebstemperatur des Elektromotors und durch eine turbulente Verwirbelung im Luftspalt verdampft. Der entstehende Wasserdampf gelangt erst danach in die Motorkammer und entweicht durch eine Membran in die Atmosphäre. Dadurch kann auf eine Kapselung des Stators und die damit verbundene Nachteile des Wirkungsgrads eines Elektromotors vom Nassläufertyp verzichtet werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann eine axiale Lagerung der Welle durch ein axiales Gleitlager bereitgestellt sein, welches durch ein freies Ende der Welle und eine Anlauffläche an dem Pumpengehäuse, vorzugsweise einem Pumpendeckel gebildet ist.
Während des Betriebs erzeugt das Pumpenlaufrad eine Schubkraft in Richtung des Saugstutzens bzw. Einlasses der Pumpe. Durch eine stirnseitige Gleitfläche der Welle und eine entsprechende gehäuseseitige Anlauffläche wird ein besonders einfaches jedoch ausreichendes Axiallager ohne notwendige axiale Fixierung in entgegengesetzter Richtung bereitgestellt. Dadurch können der Aufbau und die Montage weiter vereinfacht werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann die Wellendichtung wenigstens zwei Dichtlippen zur dynamischen Abdichtung auf dem Wellenumfang aufweisen, die zumindest zu einer axialen Seite dichtungswirksam ausgerichtet sind.
Durch eine doppellippige Wellendichtung wird ein günstiger und ausreichender Leckageschutz hinter dem axialen Gleitlager bereitgestellt, der im Vergleich zu Gleitringdichtungen eine erheblich bessere Abdichtung erzielt und lediglich eine geringe Ansammlungen von Leckagetropfen passieren lässt. Eine Abdichtung in entgegengesetzter Richtung, wie bei einem Pumpenaufbau mit einem trockenen Wälzlager, kann aufgrund des nasslaufenden Gleitlagers entfallen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann der Stator des Elektromotors in axialer Überschneidung mit dem wenigstens einen Kühlmittelströmungskanal angeordnet sein.
Durch eine Anordnung eines oder insbesondere mehrerer in Umfangsrichtung des Gleitlagers verteilter Kühlmittelströmungskanäle im Gleitlager benachbart zum Stator des Elektromotors wird im Betrieb eine Verlustleistung der Feldspulen des Stators durch einen Wärmeübergang im Vorsprungabschnitt des Trennelements auf das in den Kühlmittelströmungskanälen des Gleitlagers zirkulierende Fördermittel übertragen und zum Förderstrom in der Pumpenkammer abgeführt. Diese vorteilhafte Wirkung ist auch noch bei geringen Temperaturdifferenzen zwischen einer hohen Kühlmitteltemperatur und einer stets noch höheren Temperatur der Spulenwicklungen nutzbar.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann eine Steuereinheit vorgesehen sein, welche in der Motorkammer in axialer Richtung zwischen dem Trennelement und dem Stator angeordnet ist.
Dadurch kann die Steuereinheit durch eine Wärmeableitung über das in dem porösen Sintergleitlager strömende Fördermedium gekühlt werden. Aufgrund der räumlichen Nähe zwischen der Steuereinheit und dem Stator wird zudem die Kontaktierung bzw. Verdrahtung zwischen der Steuereinheit und dem Stator vereinfacht und es kann eine robuste Verdrahtung vorgesehen werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann die Motorkammer eine Öffnung zur Atmosphäre aufweisen, die durch eine flüssigkeitsdichte und dampfdurchlässige Druckausgleichsmembran verschlossen ist.
Dadurch kann ein durch Leckagetropfen entstehender Wasserdampf in der Motorkammer wirkungsvoll in die Atmosphäre abgeführt werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die Zeichnung in Fig. 1 beschrieben.
Wie der axialen Schnittansicht in Fig. 1 zu entnehmen ist, umfasst ein Pumpengehäuse 1 auf einer rechts dargestellten Seite einen Ansaugstutzen 16 und einen nicht dargestellten Druckstutzen, die in eine Pumpenkammer 10 münden. Der Ansaugstutzen 16 dient als Pumpeneinlass, der in Form eines separaten Pumpendeckels 11 auf ein offenes axiales Ende des Pumpengehäuses 10 aufgesetzt ist und auf eine Stirnseite eines Pumpenlaufrads 2 zu führt, das auf einer Welle 4 fixiert ist. Der Umfang der Pumpenkammer 10 ist von einem Spiralgehäuse umgeben, das tangential in einen Druckstutzen überleitet, der einen Pumpenauslass bildet.
Das Pumpenlaufrad 2 ist ein bekanntes Radialpumpenflügelrad mit einer an den Ansaugstutzen angrenzenden zentralen Öffnung. Der Förderstrom, der das Pumpenlaufrad 2 durch den Ansaugstutzen 16 anströmt, wird durch die innenliegende Flügel radial nach außen in das Spiralgehäuse der Pumpenkammer 10 beschleunigt und ausgeleitet.
Auf einer links dargestellten Seite umfasst das Pumpengehäuse 1 einen als Motorkammer 13 bezeichneten Hohlraum, der durch ein als Trägerflansch 12 ausgebildetes Trennelement von der Pumpenkammer 10 abgetrennt ist.
Der Trägerflansch 12 ist aus einem Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit, wie beispielsweise Metall, hergestellt, um eine gute Wärmeübertragung zwischen der Motorkammer 13 und der Pumpenkammer 10 bzw. eine gute Wärmeableitung von der Motorkammer 13 hin zu dem Fördermedium in der Pumpenkammer 10 zu ermöglichen. Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Trägerflansch 12 aus einer Aluminiumlegierung hergestellt. Der Trägerflansch 12 besitzt einen Trennabschnitt 12a, welcher die Abtrennung zwischen der Motorkammer 13 und der Pumpenkammer 10 vorsieht, und einen Vorsprung bzw. Vorsprungabschnitt 12b, auf welchem der Stator 31 angebracht bzw. fixiert ist.
Wie in Fig. 1 gezeigt ist, weist das Pumpengehäuse 1 ein topfförmiges Motorgehäuse 17 auf, welches die Motorkammer 13 bildet. Der Trägerflansch 12 und der Pumpendeckel 11 sind auf einer axial offenen Seite des Motorgehäuses 17 in diesem aufgenommen, der Trägerflansch 12 stößt gegen eine bei dem Motorgehäuse 17 vorgesehene Anschlagfläche und der Pumpendeckel 11 ist in dieser Position an dem Motorgehäuse 17 fixiert. Zwischen dem Trägerflansch 12 und dem Pumpengehäuse ist ein Dichtelement, wie beispielsweise ein O-Ring, angeordnet, um eine Leckage des Fördermediums in der Pumpenkammer 10 zu verhindern. Wie in Fig. 1 gezeigt, ist das Dichtelement bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel auf einer Außenumfangsfläche des Trennabschnitts 12a des Trägerflansches 12 angeordnet, das Dichtelement kann beispielsweise jedoch auch an der in der axialen Richtung dem Pumpendeckel 11 zugewandten Seitenfläche des Trennabschnitts 12a angeordnet sein. Die vorstehend beschriebene Konfiguration ermöglicht eine einfache und exakte Positionierung des Trägerflansches 12 und des Pumpendeckels 11 in der radialen Richtung.
In der Motorkammer 13 ist ein bürstenloser Elektromotor 3 vom Außenläufertyp aufgenommen. Ein Stator 31 mit Feldspulen des Elektromotors 3 ist um den Vorsprungabschnitt 12a des Trägerflansches 12 herum, welcher beispielsweise eine zylindrische Gestalt besitzt, fixiert, so dass der Stator 31 mit dem Vorsprungabschnitt 12a in Kontakt steht. Hierdurch ist eine sehr gute Wärmeableitung von dem Stator 31 in der Motorkammer 13 über den Trägerflansch 12 hin zu dem Fördermedium in der Pumpenkammer 10 gewährleistet. Ein Rotor 32 mit permanentmagnetischen Rotorpolen ist um den Stator 31 drehbar auf der Welle 4 fixiert
Eine in Fig. 1 gezeigte Steuereinheit bzw. Platine 18 der Pumpe einschließlich einer Leistungselektronik des Elektromotors 3 ist in axialer Richtung zwischen dem Trennabschnitt 12a des Trägerflansches 12 und dem Stator 31 angeordnet. Durch die räumliche Nähe zwischen der Platine 18 und dem Trägerflansch 12 einerseits und dem Stator 31 und der Platine 18 andererseits kann in diesem Fall eine gute Wärmeableitung von der Platine 18 über den Trägerflansch 12 hin zu dem Fördermedium ermöglicht werden und es werden gute Voraussetzungen für eine einfache und robuste Kontaktierung bzw. Verdrahtung zwischen der Platine 18 und dem Elektromotor 3 geschaffen.
In dem Luftspalt zwischen dem Trennabschnitt 12a und der Platine 18 kann ein Füllmaterial 19, wie ein Gap-Filler, mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit angeordnet sein, so dass die Wärmeübertragung von der Platine 18 hin zu dem Fördermedium in der Pumpenkammer 10 weiter verbessert werden kann.
Die Platine 18 der Pumpe kann jedoch auch an anderer Stelle in der Motorkammer 13, wie auf dem dem axialen Ende des Elektromotors zugewandten Bodenabschnitt des Motorgehäuses 17, angeordnet sein. Darüber hinaus kann die Platine 18 der Pumpe auch außerhalb der Motorkammer 13 angeordnet sein.
Der Elektromotor 3 ist ein Trockenläufertyp, dessen Feldspulen ungekapselt bzw. offen am Luftspalt zum Rotor 32 zur Motorkammer 13 freiliegen. Der Rotor 32 weist eine für einen Außenläufer typische Topfform auf, die auf dem links dargestellten freien Ende der Welle 4 sitzt und die permanentmagnetischen Rotorpole in dem axialen Bereich des Stators 31 trägt.
Die Welle 4, die sich zwischen der Pumpenkammer 10 und der Motorkammer 13 erstreckt, ist durch ein radiales Sintergleitlager 41 in dem Trägerflansch 12 radial gelagert. Zudem ist die Welle 4 an dem rechten freien Ende axial gelagert. Das axiale Gleitlager kommt durch eine Gleitflächenpaarung zwischen der Stirnseite der Welle 4 und einer Anlauffläche zustande, die durch einen Vorsprung bzw. eine Strebe im Ansaugstutzen 16 vor dem Pumpenlaufrad 2 entsprechend positioniert am Pumpendeckel 11 bereitgestellt ist. Im Betrieb schiebt das Pumpenlaufrad 2 die Welle 4 durch eine Saugwirkung in Richtung des Ansaugstutzens 16 gegen die Anlauffläche, so dass eine axiale Lastaufnahme der Wellenlagerung in dieser einen Richtung ausreicht. Da ein Lagerspalt zwischen den Gleitflächen von dem Förderstrom umgeben ist, wird auch das axiale Gleitlager mit Kühlmittel geschmiert, zumindest in Form einer anfänglichen und unter Vibrationen oder Turbulenzen erneuten Benetzung der Gleitflächen durch das Kühlmittel.
Das kühlmittelgeschmierte Gleitlager 41 ist als ein Sinterlager mit einer definierten Porosität von über 40 % ausgebildet, für welches beispielsweise bekannte Standardwerkstoffe für Sintergleitlager, wie Sintereisen und Sinterbronze, verwendet werden können. Durch die Auswahl derartiger Sinterwerkstoffe kann bei Verwendung einer Stahlwelle aufgrund der ähnlichen Wärmeausdehnung von Sinterlager und Stahlwelle ein sehr kleines Lagerspiel unter 10 µm eingestellt werden. Somit können radiale Verlagerungen der Rotorwelle weitgehend unterdrückt werden und die Geräuschemission der Pumpe kann reduziert werden. Zudem füllt sich der poröse Sinterwerkstoff rasch mit dem Fördermedium und ermöglicht daher eine effiziente Aufnahme und Ableitung der in dem Gleitlager selbst erzeugten Wärme und der von anderen Pumpenelementen hin zu dem Gleitlager übertragenen Wärme in das Fördermedium.
Das in Fig. 1 gezeigte Sintergleitlager 41 weist zudem zwei axiale Kühlmittelströmungskanäle 14 mit einer vorbestimmten Tiefe ausgehend von dem Ende des Sintergleitlagers 41 auf der Seite der Pumpenkammer 10 auf. Somit kann das Fördermedium während des Pumpenbetriebs aufgrund der herrschenden Druckverhältnisse in der Pumpe in einer definierten Strömungsrichtung ausgehend von dem radial äußeren Bereich der Pumpenkammer 10 mit hohen Drücken über den Bereich der Pumpenkammer 10 zwischen dem Pumpenlaufrad 2 und dem Trägerflansch 12 mit radial nach innen abnehmenden Drücken, durch die Kühlmittelströmungskanäle 14 und den axialen Endabschnitt des Gleitlagers 41 auf der Seite entgegengesetzt zu dem Pumpenlaufrad 2 ohne Kühlmittelströmungskanal 14 (Filterabschnitt) hin zu dem Raum zwischen dem Sintergleitlager 41 und der Wellendichtung 5, durch den Lagerspalt des Gleitlagers 41 und schließlich hin zu dem radial inneren Bereich der Pumpenkammer 10 mit noch niedrigeren Drücken zurückgeführt werden. Die axiale Zirkulation des Kühlmittels in dem Lagerspalt in Kombination mit der Rotationsbewegung zwischen den Gleitflächen stellt eine gleichmäßige Verteilung und Schmierung des Lagerspalts mit dem Kühlmittel sicher. Das Kühlmittel enthält ein Frostschutzadditiv mit reibungsvermindernder Eigenschaft, wie z.B. einem Glykol, Silikat oder dergleichen. Gleichzeitig werden Partikel aus einem Abrieb der Gleitflächenpaarung zur Pumpenkammer und in den Förderstrom abtransportiert.
Obwohl in Fig. 1 zwei Kühlmittelströmungskanäle 14 dargestellt sind, ist es erfindungsgemäß ausreichend, wenn zumindest ein solcher Kühlmittelströmungskanal 14 vorgesehen ist. Darüber hinaus können auch mehr als zwei Kühlmittelströmungskanäle 14 vorgesehen sein. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel sind die Kühlmittelströmungskanäle 14 als Nuten auf dem Außenumfang des Sintergleitlagers 41 ausgebildet. Die Kühlmittelströmungskanäle 14 können jedoch auch als axial verlaufende Sacklochbohrungen im Sintergleitlager 41 vorgesehen sein. Ferner kann der zumindest eine als Nut ausgebildete Kühlmittelströmungskanal 14 spiralförmig um den Umfang des Sintergleitlagers 41 ausgebildet sein.
Durch die vorstehend erläuterte definierte Kühlmittelströmung werden die Gleitflächen am Wellenumfang und am Lagersitz des Gleitlagers 41 durch das von der Zusatzwasserpumpe geförderte Kühlmittel geschmiert, das in den Lagerspalt zwischen den Gleitflächen eindringt. In diesem Zusammenhang dient das poröse Sintergleitlager 41 ferner als ein Filterelement für das durchströmende Fördermedium, so dass ausschließlich gefiltertes Kühlmittel vor den Wellendichtring und in den Lagerspalt gelangt. Ein separates Filterelement für das Fördermedium ist somit nicht erforderlich.
Zwischen dem radialen Sintergleitlager 41 und der Motorkammer 13 ist eine Wellendichtung 5 angeordnet, die ein offenes Ende des Vorsprungabschnitts 12b des Trägerflansches 12 zur Welle 4 abdichtet. Die Wellendichtung 5 ist eine doppellippige Dichtung, die in den Vorsprungabschnitt 12b des Trägerflansches 12 eingepresst ist, und zwei hintereinander liegende, in Richtung zum radialen Gleitlager 41 gerichtete Dichtlippen (nicht dargestellt) zur einseitigen dynamischen Abdichtung auf dem Wellenumfang aufweist.
Die kleine unvermeidbare Leckage, die aus der Zirkulation des Kühlmittels die Wellendichtung 5 im Laufe der Zeit tropfenweise passiert, gelangt jedoch nicht direkt mit den Feldspulen oder einer evtl. in der Motorkammer 13 angeordneten Motorelektronik in Kontakt. Im Betrieb gelangen die Leckagetropfen hinter der Wellendichtung 5 zur Innenfläche des rotierenden Rotors 32 und werden durch die Fliehkraft radial nach außen getragen. Durch Verwirbelungen an den Rotorpolen bzw. Permanentmagneten und durch die Betriebstemperatur, die aus der Verlustleistung an den Feldspulen resultiert, verdampfen die Leckagetropfen im Luftspalt zwischen dem Stator 31 und dem Rotor 32, ohne auf dem radial innenliegenden Stator 32 eine Benetzung in flüssiger Phase, d.h. eine korrosive Einwirkung ausüben zu können.
Durch die Topfform des Rotors 32 können die Leckagetropfen nicht direkt in axialer Richtung in den Motorraum 13 gelangen, sondern werden an der Innenfläche des Rotors 32 aufgefangen und zur Verdampfung dem Luftspalt zugeführt. Um ein Volumen des Luftspalts gering zu halten, ist dieser zu den Umfängen des Stators 32 komplementär ausgebildet.
Der Übergang von Leckagetropfen von der flüssigen in die gasförmige Phase geht mit einer Volumenzunahme einher, die im Falle eines abgeschlossenen Volumens der Motorkammer 13 zu einer Druckerhöhung führen würde, unabhängig von einer Druckschwankung die aufgrund von Temperaturschwankungen zwischen Betrieb und Stillstand der Pumpe entstünde.
Allerdings ist zwischen der Motorkammer 13 und der umgebenden Atmosphäre eine in Fig. 1 nicht dargestellte Membran vorgesehen, welche in der Motorkammer 13 an dem topfförmigen Motorgehäuse 17 angebracht ist. Die Membran kann beispielsweise bei einer in Fig. 1 dargestellten Öffnung 20 des Motorgehäuses 17 bei dem Außenumfang des Motorgehäuses 17 vorgesehen sein. Die Membran kann ferner bei einem radial mittleren Abschnitt einer in der axialen Richtung dem Rotor zugewandten Innenfläche des Motorgehäuses 17 angeklebt sein und ermöglicht einen Ausgleich von Druckschwankungen aus der Motorkammer 13 zur Atmosphäre. Dadurch kann eine kostengünstige und großflächige Klebemembran an einer geschützten Stelle verwendet werden. Das Motorgehäuse 17 weist in diesem Bereich dann eine Öffnung oder eine durchlässige bzw. offenporige Struktur auf, welche derart ausgebildet ist, dass die Membran bei Hochdruckstrahltests ausreichend geschützt ist und nicht beschädigt wird. Die Membran ist in Bezug auf eine Wasserdurchlässigkeit semipermeable, d.h. sie lässt Wasser in flüssiger Phase nicht passieren, wohingegen eine mit Feuchtigkeit beladene Luft bis zu einer Grenze in Bezug auf eine Tröpfchengröße bzw. einer an der Membranoberfläche agglomerierenden Tröpfchendichte hindurch diffundieren kann. Somit kann bei einer Volumenausdehnung durch Verdampfung in der Motorkammer 13, eine mit Feuchtigkeit beladene warme Luft die Membran passieren, sodass verdampfte Leckagetropfen effektiv in die Atmosphäre ausgetragen werden. In entgegengesetzter Richtung schützt die Membran wiederum vor einem Eindringen von Spritzwasser oder dergleichen im Fahrbetrieb des Fahrzeugs.

Claims

Elektrische Kühlmittelpumpe zum Fördern von Kühlmittel in einem Fahrzeug, aufweisend:
ein Pumpengehäuse (1) mit einer Pumpenkammer (10), in der ein Pumpenlaufrad (2) drehbar aufgenommen ist, einem Einlass (16) und einem Auslass, die mit der Pumpenkammer (10) verbunden sind;

eine Welle (4), die an einem Trennelement (12) zwischen der Pumpenkammer (10) und einer von der Pumpenkammer (10) getrennten Motorkammer (13) drehbar gelagert ist, und auf der das Pumpenlaufrad (2) fixiert ist;

einen trockenlaufenden Elektromotor (3) mit einem radial inneren Stator (31) und einem radial äußeren Rotor (32), welcher in der Motorkammer (13) aufgenommen ist;

dadurch gekennzeichnet, dass

eine radiale Lagerung der Welle (4) mittels eines kühlmittelgeschmierten radialen Sintergleitlagers (41) mit einer definierten Porosität bereitgestellt ist, das in axialer Richtung zwischen dem Pumpenlaufrad (2) und dem Rotor (32) angeordnet ist; und

eine Wellendichtung (5) zwischen dem radialen Gleitlager (41) und der Motorkammer (13) angeordnet ist;

wobei in dem Sintergleitlager (41) in axialer Richtung zumindest ein Kühlmittelströmungskanal (14) mit einer vorbestimmten Tiefe ausgehend von dem Ende des Sintergleitlagers (41) auf der Seite der Pumpenkammer (10) vorgesehen ist.
Elektrische Kühlmittelpumpe nach Anspruch 1, wobei
sich der Kühlmittelströmungskanal (14) in der axialen Richtung ausgehend von dem Ende des Sintergleitlagers auf der Seite der Pumpenkammer (10) über 90 % der Bauteiltiefe des Sintergleitlagers (41) erstreckt.
Elektrische Kühlmittelpumpe nach Anspruch 1 oder 2, wobei
das Lagerspiel im Sintergleitlager (41) der Welle (4) auf kleiner 10 µm eingestellt ist.
Elektrische Kühlmittelpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei
die Porosität des Sintergleitlagers (41) auf über 40 % eingestellt ist.
Elektrische Kühlmittelpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei
der Rotor (32) in einer Topfform ausgebildet ist, deren Innenfläche zur Wellendichtung (5) zugewandt sowie mit dieser axial überschneidend auf der Welle (4) fixiert ist.
Elektrische Kühlmittelpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei
eine axiale Lagerung der Welle (4) durch ein axiales Gleitlager bereitgestellt ist, welches durch ein freies Ende der Welle (4) und eine Anlauffläche an dem Pumpengehäuse (1), vorzugsweise einem Pumpendeckel (11) gebildet ist.
Elektrische Kühlmittelpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei
die Wellendichtung (5) wenigstens zwei Dichtlippen zur dynamischen Abdichtung auf dem Wellenumfang aufweist, die zumindest zu einer axialen Seite dichtungswirksam ausgerichtet sind.
Elektrische Kühlmittelpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
wobei der Stator (31) des Elektromotors (3) in axialer Überschneidung mit dem wenigstens einen Kühlmittelströmungskanal (14) angeordnet ist.
Elektrische Kühlmittelpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, ferner aufweisend
eine Steuereinheit (18), welche in der Motorkammer (13) in axialer Richtung zwischen dem Trennelement (12) und dem Stator (31) angeordnet ist.
Elektrische Kühlmittelpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 9,wobei
die Motorkammer (13) eine Öffnung (20) zur Atmosphäre aufweist, die durch eine flüssigkeitsdichte und dampfdurchlässige Druckausgleichsmembran verschlossen ist.
Verwendung einer elektrischen Kühlmittelpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 10 als Zusatzwasserpumpe in einem kühlmittelführenden System in einem Fahrzeug mit einer Verbrennungsmaschine und einer Hauptwasserpumpe.