EP4264060A1 - Laterne mit elementen zur wärmeableitung - Google Patents

Laterne mit elementen zur wärmeableitung

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Publication number
EP4264060A1
EP4264060A1 EP21815947.3A EP21815947A EP4264060A1 EP 4264060 A1 EP4264060 A1 EP 4264060A1 EP 21815947 A EP21815947 A EP 21815947A EP 4264060 A1 EP4264060 A1 EP 4264060A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
lantern
arrangement according
elements
pump arrangement
pump
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP21815947.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Boris JANJIC
Sebastian Lang
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
KSB SE and Co KGaA
Original Assignee
KSB SE and Co KGaA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by KSB SE and Co KGaA filed Critical KSB SE and Co KGaA
Publication of EP4264060A1 publication Critical patent/EP4264060A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D13/00—Pumping installations or systems
    • F04D13/02—Units comprising pumps and their driving means
    • F04D13/06—Units comprising pumps and their driving means the pump being electrically driven
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/58—Cooling; Heating; Diminishing heat transfer
    • F04D29/586—Cooling; Heating; Diminishing heat transfer specially adapted for liquid pumps
    • F04D29/5893—Cooling; Heating; Diminishing heat transfer specially adapted for liquid pumps heat insulation or conduction
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/20—Heat transfer, e.g. cooling
    • F05D2260/221—Improvement of heat transfer
    • F05D2260/2214—Improvement of heat transfer by increasing the heat transfer surface

Definitions

  • the invention relates to a pump arrangement with a lantern which is arranged between a pump housing and a motor housing.
  • Such a pump arrangement can be a centrifugal pump arrangement, for example.
  • Centrifugal pumps are based on the principle of energy transfer to a fluid through a change in swirl as a result of a torque that is triggered by a uniformly rotating impeller on the fluid flowing through it.
  • Centrifugal pumps are mostly driven by electric motors.
  • piston engines are also used as drives in centrifugal pump technology.
  • Electric motors generate a uniform torque.
  • the electric motor is an electromechanical energy converter that converts electrical energy into mechanical energy.
  • DC motors, AC motors or three-phase motors are used. As a rule, the electrical energy is converted into a rotational movement.
  • the electric motor driving a centrifugal pump is usually connected to the pump at a certain distance via a lantern.
  • the motor drive shaft passes through the center of the openings in the two flanges or covers for attachment to the motor and the pump housing.
  • Lanterns are commonly made by casting. Such a lantern and a corresponding production method are described, for example, in EP 1 038 61 1 A2.
  • the type and number of connecting webs described enable a particularly stable design of a lantern.
  • the object of the invention is to provide a lantern as a connecting element between a pump housing and a drive motor.
  • This connecting element should be able to dissipate the heat that emanates from the pump housing when pumping hot fluids as well as possible and conduct it only slightly in the direction of the motor and/or power electronics.
  • the connecting element should be characterized by a compact design. The replacement of spare parts should be made possible by the design of the Connection element be favored.
  • the connecting element should be able to be implemented simply and inexpensively.
  • surface-enlarging elements for heat dissipation are arranged on a lantern of a pump arrangement, which is arranged between a pump housing and a motor housing.
  • the surface-enlarging elements are ideally designed as cooling fins in order to optimize the heat dissipation of the lantern.
  • the cooling fins are plate-shaped and/or trapezoidal and/or triangular and/or arc-shaped and/or ring-shaped. Due to the lantern's optimized heat dissipation, the pump housing, which can reach high temperatures due to the pumping of hot fluids, and the motor housing are almost thermally decoupled.
  • the optimization of the heat dissipation of the lantern is achieved by the advantageous construction of the lantern.
  • the motor assembly fan creates a flow of cooling air which cools the fins of the motor housing and then flows over the lantern.
  • the lantern is constructed in such a way that the inner diameter remains constant over the length of the main body of the lantern and the outer diameter increases. In this particularly advantageous way, the flow of cooling air flows over the cooling fins of the lantern and efficiently dissipates the heat.
  • the design of the lantern directs the flow of cooling air over the pump housing, so that the flow against the pump housing represents reduced flow resistance.
  • the outside diameter of the lantern base increases towards the pump side, which improves the flow regime of the cooling air flow generated by the motor fan.
  • a smaller flow resistance means a higher flow speed, which in turn favors improved heat dissipation of the motor housing and lantern.
  • the lantern is rotationally symmetrical.
  • the symmetrical design of the lantern favors the flow-optimized guidance of the cooling air flow and intensifies the heat dissipation of the lantern.
  • the thermal decoupling of the pump housing from the motor housing is advantageously supported by the symmetrical design of the lantern.
  • the surface-enlarging elements which are designed as cooling ribs, are arranged on a hollow-cylindrical base body of the lantern.
  • the lateral surface of the lantern preferably has openings which are preferably designed as windows. This can be used for assembly, for accessibility to the shaft and/or for the inflow of cooling air and/or for increasing the thermal resistance of the lantern.
  • the lantern advantageously connects the pump housing and the motor housing directly. In principle, no additional component is required to establish this connection. A reduction in the number of components is usually advantageous for reducing the manufacturing costs.
  • the lantern is designed in several parts. This can be done, for example, with removable blades and/or cooling fins and/or by a split version of the lantern. Furthermore, a solution with different sleeves is also conceivable, which can be pushed one over the other, with cooling ribs being arranged on the outside of a sleeve.
  • the thermal conductivity of the lantern material is less than 40 W/m K, preferably less than 20 W/m K, in particular less than 10 W/m K.
  • the lantern is preferably made of cast iron or aluminum or stainless steel.
  • the lantern can be made using a casting process or 3D printing.
  • the thermal conductivity of the cooling fins is more than 150 W/m K, in particular more than 200 W/m K, preferably more than 250 W/m K.
  • the surface-enlarging elements are designed in particular as guide elements for guiding a flow of cooling air.
  • the flow-optimized routing of the cooling air flow increases the heat dissipation of the lantern, which is conducted from the pump housing into the lantern.
  • the surface-enlarging elements are aligned axially.
  • the axial alignment of the cooling ribs promotes the overflow of the cooling air flow with reduced flow resistance and leads to a particularly ideal heat dissipation of the lantern.
  • the surface-enlarging elements are advantageously aligned radially. This orientation realizes a flow-optimized dissipation of the cooling air flow over the pump housing and at the same time enables efficient heat dissipation of the lantern. This preferably achieves a thermal decoupling of the pump housing and the motor housing.
  • the lantern has elements to increase the surface area. These elements can be designed in the form of cooling fins. The thermal decoupling of the pump housing from the motor housing is facilitated by the increased surface area of the lantern.
  • the surface-enlarging elements are plate-shaped and/or trapezoidal and/or triangular and/or arc-shaped and/or ring-shaped in the form of cooling fins.
  • the lantern is preferably designed in the shape of a cylinder and/or a trumpet funnel. This spatial configuration is particularly advantageous in order to achieve additional cooling of the lantern by the flow of cooling air generated by the motor fan.
  • the lantern can also be cone-shaped and/or cuboid.
  • the lantern is formed in one piece with the motor-side pressure cover of the pump housing and/or in one piece with the pump-side motor cover.
  • the lantern can thus be made particularly compact and enables a pump arrangement with dimensions that can also be used at installation sites with limited space.
  • the lantern is designed as a bearing support on the pump side and/or on the motor side. This leads to a particularly compact design of the lantern and at the same time to a reduction in the assembly effort due to the reduction in the number of parts.
  • cutouts in the form of windows can be arranged in the lantern for the cooling air flow to enter the interior of the lantern to cool the shaft.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a centrifugal pump unit according to the prior art
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a centrifugal pump unit with surface-enlarging elements
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a centrifugal pump unit with surface-enlarging, arc-shaped elements
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a centrifugal pump unit with a trumpet-shaped lantern and surface-enlarging elements
  • 5 shows a schematic representation of a centrifugal pump unit with a trumpet-shaped lantern and surface-enlarging, arc-shaped elements
  • FIG. 6 shows a schematic representation of a centrifugal pump unit with radially aligned, surface-enlarging elements
  • FIG. 7 shows a schematic representation of a centrifugal pump unit with a further embodiment of the surface-enlarging elements.
  • a lantern 2 is arranged between a pump housing 1 and a motor housing 4 and connects them to each other.
  • the centrifugal pump shown in the exemplary embodiment is used to convey fluids that can have high temperatures under certain circumstances.
  • the fluid enters the pump housing 1 of the centrifugal pump through a suction mouth 7 .
  • the impeller is arranged inside the pump housing 3 .
  • the impeller transfers kinetic energy to the fluid, which leaves the centrifugal pump via the pressure port 8 .
  • the space filled with fluid and the impeller is delimited by a pump housing 1 and a housing cover.
  • the impeller is connected in a rotationally fixed manner to a shaft which drives the impeller by means of a motor arrangement.
  • the motor arrangement comprises the motor electronics 3, a rotor, a stator, the shaft, a motor cover on the pump side and a motor housing 4.
  • a bearing carrier, which carries a bearing, is arranged in the motor cover.
  • a fan impeller 6 arranged on the shaft draws in a flow of cooling air axially through the fan housing 5 in order to flow over the motor housing 4 and to flow through the space between the motor housing 4 and the motor electronics 3.
  • the area marked with arrows in The cooling air flow shown in FIG. 1 flows over the lantern 2 and hits the pump housing 1 . This negatively affects the flow regime of the cooling air flow and reduces heat dissipation.
  • the surface-enlarging elements 9 are designed as cooling ribs.
  • the cooling ribs extend axially over the length of the base body of the lantern 2 and are arranged on the outside of the lantern 2 in the form of a hollow cylinder.
  • the width of the axial cooling ribs is more than 1 mm, preferably more than 2 mm, in particular more than 3 mm, and/or less than 14 mm, preferably less than 12 mm, in particular less than 10 mm.
  • the height of the axial cooling ribs is more than 3 mm, preferably more than 5 mm, in particular more than 7 mm, and/or less than 50 mm, preferably less than 45 mm, in particular less than 40 mm.
  • the thermal conductivity of the lantern material is less than 40 W/m K, preferably less than 20 W/m K, in particular less than 10 W/m K, and the thermal conductivity of the cooling fins is more than 150 W/m K, in particular more than 200 W/m K, preferably more than 250 W/m K.
  • the base body of the lantern 2 is preferably made of gray cast iron or aluminum or stainless steel.
  • the surface-enlarging elements 9 are aligned axially.
  • the axial alignment of the cooling ribs promotes the overflow of the cooling air flow, indicated by arrows in the figure, with reduced flow resistance and leads to a particularly ideal heat dissipation of the lantern 2.
  • cutouts 10 in the form of windows for the entry of the cooling air flow into the interior of the lantern for cooling the shaft are arranged in the lantern 2 .
  • Fig. 3 shows a schematic representation of a centrifugal pump unit with surface-enlarging, arcuate elements 9.
  • On the base body of the lantern 2 are arranged several surface-enlarging elements 9, which are formed in this embodiment as arcuate or curved cooling fins.
  • the dimensions of the cooling ribs correspond to those in Fig. 2.
  • the cooling air flow generated by the fan impeller 6 flows over the cooling ribs of the motor housing 4 and then the cooling ribs of the lantern 2. Due to the curved shape of the cooling ribs of the lantern 2, the cooling air flow is given a direction indicated by arrows in the figure 3 and does not strike the pump housing 1 perpendicularly. As a result, the flow regime of the cooling air flow is improved overall and the heat dissipation performance of the lantern 2 and the motor housing 4 is increased.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a centrifugal pump unit with a trumpet funnel-shaped lantern 2 and surface-enlarging elements 9.
  • the trumpet funnel shape of the exemplary embodiment of the lantern 2 is particularly flow-optimized with regard to the cooling air flow generated by the fan impeller 6.
  • the flow of cooling air represented by arrows in FIG. 4 does not strike the pump housing 1 perpendicularly, but is guided over the pump housing 1 by the trumpet funnel shape of the lantern 2 .
  • the flow optimization leads to a higher flow speed of the cooling air flow, which also improves the heat dissipation of the surface-enlarging elements 9 arranged axially on the lantern 2 .
  • the heat dissipating surface of the lantern 2 is enlarged, whereby the heat dissipation performance is increased again.
  • the lantern 2 in the shape of a trumpet funnel can also be designed asymmetrically in order to form the overflow of an asymmetrically designed pump housing 1 in an ideal manner.
  • the shape of the lantern 2 is adapted to the shape of the pump housing 1.
  • Fig. 5 shows a schematic representation of a centrifugal pump unit with a trumpet-shaped lantern 2 and surface-enlarging, arcuate elements 9.
  • the lantern 2 shown in this exemplary embodiment largely corresponds to the lantern 2 from FIG. 4.
  • the surface-enlarging elements 9 are designed in the form of curved cooling fins . This will create the one with arrows shown cooling air flow passed over the pump housing 1 and at the same time generates a swirl that improves the heat dissipation performance.
  • Fig. 6 shows a schematic representation of a centrifugal pump unit with a lantern 2, the surface-enlarging elements 9 are aligned radially.
  • the lantern 2 has a plurality of radially arranged surface-enlarging elements 9, which in this exemplary embodiment are designed as radial cooling rib rings.
  • the base body of the lantern 2 in FIG. 6 corresponds to the lantern 2 in FIG. 2.
  • four rings of cooling fins are additionally arranged on the hollow-cylindrical base body.
  • the cooling rib rings have different heights, which increase in the direction of the pump housing 1 in such a way that the lantern 2 is given a frustoconical shape by the cooling rib rings.
  • the width of the cooling fin rings is more than 1 mm, preferably more than 2 mm, in particular more than 3 mm, and/or less than 14 mm, preferably less than 12 mm, in particular less than 10 mm.
  • the height of the smallest ring of cooling ribs is more than 3 mm, preferably more than 5 mm, in particular more than 7 mm, and/or less than 30 mm, preferably less than 25 mm, in particular less than 20 mm.
  • the height of the largest ring of cooling fins is more than 20 mm, preferably more than 25 mm, in particular more than 30 mm, and/or less than 100 mm, preferably less than 90 mm, in particular less than 80 mm.
  • the cooling rib rings are arranged vertically at the same distance on the lantern 2 and the height of the cooling rib rings increases symmetrically in the direction of the pump housing 1 .
  • the arrangement of the cooling rib rings is not at the same distance from one another and/or the alignment is not perpendicular to the lantern 1 .
  • the orientation of the cooling fin rings can assume a flow-optimized angle.
  • the material thickness of the lantern 2 is more than 1 mm, preferably more than 2 mm, in particular more than 3 mm, and/or less than 14 mm, preferably less than 12 mm, in particular less than 10 mm.
  • the cooling rib rings can be arranged on a sleeve which is fitted over the hollow-cylindrical base body of the lantern 2 .
  • the surface-enlarging elements 9 are advantageously aligned radially in the form of cooling fin rings. This orientation realizes a flow-optimized discharge of the cooling air flow over the pump housing 1 and at the same time enables efficient heat dissipation of the lantern 2 by the formation of turbulence on the individual cooling rings. This preferably achieves a thermal decoupling of the pump housing and the motor housing.
  • Fig. 7 shows a schematic representation of a centrifugal pump unit with a further embodiment of the surface-enlarging elements 9, which are designed in the form of radially aligned cooling rings.
  • the inlet ducts are always offset by 90° and direct the flow of cooling air through the window 10 of the lantern 2 to cool the drive shaft into the interior of the lantern.
  • the cooling rib rings have interruptions in the area of the windows 10 and are not completely rotationally symmetrical.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Pumpenanordnung mit einer Laterne (2). Die Laterne (2) ist zwischen einem Pumpengehäuse (1 ) und einem Motorgehäuse (4) angeordnet. An der Laterne (2) sind oberflächenvergrößernde Elemente (9) zur Wärmeableitung angeordnet.

Description

Beschreibung
Laterne mit Elementen zur Wärmeableitung
Die Erfindung betrifft eine Pumpenanordnung mit einer Laterne, die zwischen einem Pumpengehäuse und einem Motorgehäuse angeordnet ist.
Eine solche Pumpenanordnung kann beispielsweise eine Kreiselpumpenanordnung sein. Kreiselpumpen beruhen auf dem Wirkprinzip der Energieübertragung an ein Fluid durch Dralländerung infolge eines Drehmoments, das von einem gleichförmig rotierenden Laufrad auf das durch dieses strömende Fluid ausgelöst wird.
Meistens werden Kreiselpumpen durch Elektromotoren angetrieben. Neben diesem elektrischen Antrieb werden in der Kreiselpumpentechnik auch Kolbenkraftmaschinen als Antrieb verwendet. Dabei erzeugen Elektromotoren ein gleichförmiges Drehmoment. Der Elektromotor ist ein elektromechanischer Energiewandler, der elektrische in mechanische Energie wandelt. Je nachdem, in welcher Form die elektrische Energie verfügbar ist, kommen Gleichstrommotoren, Wechselstrom- oder Drehstrommotoren zum Einsatz. In der Regel wird die elektrische Energie hierbei in eine Rotationsbewegung umgewandelt.
Der eine Kreiselpumpe antreibende Elektromotor wird meist über eine Laterne in einem bestimmten Abstand mit der Pumpe verbunden. Die Motorantriebswelle tritt dabei mittig durch Öffnungen in den beiden Flanschen bzw. Deckeln zur Befestigung am Motor und am Pumpengehäuse hindurch. Laternen werden üblicherweise durch Gießen hergestellt. Eine solche Laterne und ein entsprechendes Herstellungsverfahren sind beispielsweise in der EP 1 038 61 1 A2 beschrieben. Die Art und die Anzahl der beschriebenen Verbindungsstege ermöglichen eine besonders stabile Ausführung einer Laterne.
Bei Pumpenanordnungen, die zur Förderung von Fluiden mit hohen Temperaturen eingesetzt werden, kann es zu einem hohen Wärmeeintrag ausgehend vom Pumpengehäuse in Richtung Elektromotor kommen. Das kann zu mehreren Problemen am Elektromotor führen. Hohe Temperaturen reduzieren den Wirkungsgrad der Energieumwandlung. Die Bauteile des Motors, insbesondere die Wicklungen des Stators und des Rotors werden thermisch belastet, wodurch deren Lebensdauer verkürzt werden kann. Die Magnete des Rotors können zusätzlich beschädigt werden. Bei den Pumpenanordnungen mit integrierter Leistungselektronik, ist die Erwärmung der elektronischen Bauteile besonders kritisch. Aus diesen Gründen muss manchmal die Elektromotorregelung die Leistungsaufnahme sowie die Drehzahl reduzieren, um eine Überhitzung des Elektromotors und/oder der Leistungselektronik zu verhindern, wodurch die Pumpe nicht mehr im gewünschten Betriebsbereich arbeiten kann.
Üblicherweise versucht man durch besonders lange Laternen einen großen Abstand zwischen dem heißen Pumpengehäuse und dem Elektromotor zu realisieren, um die aufgeführten Probleme zu vermeiden. Ein großer Abstand bedeutet auch ein großes Abmaß der Pumpenanordnung, die sich dann nicht mehr an jedem Einsatzort aufstellen lässt. Des Weiteren führt ein großer Abstand auch zu einer langen Antriebswelle, die einer geeigneten Lagerung bedarf, um die auftretende Unwucht während der Betriebszeit verkraften zu können. Erhöhte Schwingungen des gesamten Systems können die Folge sein.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Laterne als Verbindungselement zwischen einem Pumpengehäuse und einem Antriebsmotor bereitzustellen. Dieses Verbindungselement soll die Wärme, die beim Fördern von heißen Fluiden vom Pumpengehäuse ausgeht, möglichst gut abführen können und nur geringfügig in Richtung Motor oder/und Leistungselektronik leiten. Weiterhin soll sich das Verbindungselement durch eine kompakte Bauform auszeichnen. Der Austausch von Ersatzteilen sollte durch die Konstruktion des Verbindungselements begünstigt sein. Das Verbindungselement sollte einfach und kostengünstig realisiert werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Pumpenanordnung mit einer Laterne gelöst. Bevorzugte Varianten sind den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen.
Erfindungsgemäß sind an einer Laterne einer Pumpenanordnung, die zwischen einem Pumpengehäuse und einem Motorgehäuse angeordnet ist, oberflächenvergrößernde Elemente zur Wärmeableitung angeordnet. Die oberflächenvergrößernden Elemente sind idealerweise als Kühlrippen ausgebildet, um die Wärmeableitung der Laterne zu optimieren. Die Kühlrippen sind plattenförmig und/oder trapezförmig und/oder dreiecksförmig und/oder bogenförmig und/oder ringförmig ausgebildet. Aufgrund der optimierten Wärmeableitung der Laterne sind das Pumpengehäuse, das durch das Fördern heißer Fluide hohe Temperaturen aufweisen kann, und das Motorgehäuse nahezu thermisch entkoppelt.
Die Optimierung der Wärmeableitung der Laterne wird durch die vorteilhafte Konstruktion der Laterne erzielt. Der Lüfter der Motoranordnung erzeugt einen Kühlluftstrom, der die Rippen des Motorgehäuses kühlt und dann über die Laterne strömt. Dabei ist die Laterne so konstruiert, dass über die Länge des Laternengrundkörpers der Innendurchmesser konstant bleibt und sich der Außendurchmesser erweitert. Auf diese besonders vorteilhafte Weise überströmt der Kühlluftstrom die Kühlrippen der Laterne und leitet die Wärme effizient ab. Gleichzeitig leitet die Konstruktion der Laterne den Kühlluftstrom über das Pumpengehäuse hinweg, so dass das Anströmen des Pumpengehäuses einen reduzierten Strömungswiderstand darstellt.
In einer Variante der Erfindung erweitert sich der Außendurchmesser des Laternengrundkörpers zur Pumpenseite hin, wodurch das Strömungsregime des Kühlluftstroms, der vom Motorlüfter erzeugt wird, verbessert ist. Ein kleinerer Strömungswiderstand bedeutet eine höhere Strömungsgeschwindigkeit, die wiederum eine verbesserte Wärmeableitung des Motorgehäuses und der Laterne begünstigt. Gemäß einer Variante der Erfindung ist die Laterne rotationssymmetrisch ausgebildet. Die symmetrische Konstruktion der Laterne begünstigt die strömungsoptimierte Führung des Kühlluftstroms und intensiviert die Wärmeableitung der Laterne. Vorteilhafterweise ist die thermische Entkopplung des Pumpengehäuses vom Motorgehäuse durch die symmetrische Ausgestaltung der Laterne unterstützt.
Bei einer Variante der Erfindung sind die oberflächenvergrößernden Elemente, die als Kühlrippen ausgeführt sind, an einen hohlzylinderförmigen Grundkörper der Laterne angeordnet.
Bevorzugt weist die Mantelfläche der Laterne Öffnungen auf, die vorzugsweise als Fenster ausgeführt sind. Dies kann der Montage dienen für eine Zugänglichkeit zur Welle und/oder zum Einströmen von Kühlluft und/oder zur Erhöhung des Wärmewiderstands der Laterne.
Vorteilhafterweise verbindet die Laterne das Pumpengehäuse und das Motorgehäuse unmittelbar. Prinzipiell ist kein weiteres Bauteil zur Herstellung dieser Verbindung notwendig. Eine Reduktion der Bauteilanzahl ist meist vorteilhaft für die Reduktion der Herstellungskosten.
Bei einer Variante der Erfindung ist die Laterne mehrteilig ausgeführt. Diese kann beispielsweise mit abnehmbaren Schaufeln und/oder Kühlrippen geschehen und/oder durch eine geteilte Ausführung der Laterne. Weiterhin ist auch eine Lösung mit verschiedenen Hülsen denkbar, die übereinander geschoben werden können, wobei an einer Außenseite einer Hülse Kühlrippen angeordnet sind.
Gemäß der Erfindung beträgt die Wärmeleitfähigkeit des Laternenmaterials weniger als 40 W/m K, vorzugsweise weniger als 20 W/m K, insbesondere weniger als 10 W/m K.
Vorzugsweise besteht die Laterne aus Grauguss oder Aluminium oder Edelstahl. Die Laterne kann mittels Guss-Verfahren oder 3-D Druck hergestellt werden.
Idealerweise beträgt die Wärmeleitfähigkeit der Kühlrippen mehr als 150 W/m K, insbesondere mehr als 200 W/m K, vorzugsweise mehr als 250 W/m K.
Die oberflächenvergrößernden Elemente sind insbesondere als Leitelemente zur Führung eines Kühlluftstroms ausgebildet. Die strömungsoptimierte Führung des Kühlluftstroms erhöht die Wärmeableitung der Laterne, die vom Pumpengehäuse in die Laterne geleitet wird.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung sind die oberflächenvergrößernden Elemente axial ausgerichtet. Die axiale Ausrichtung der Kühlrippen begünstigt die Überströmung des Kühlluftstroms bei reduziertem Strömungswiderstand und führt zu einer besonders idealen Wärmeableitung der Laterne.
In einer Variante der Erfindung sind die oberflächenvergrößernden Elemente vorteilhafterweise radial ausgerichtet. Diese Ausrichtung realisiert eine strömungsoptimierte Ableitung des Kühlluftstroms über das Pumpengehäuse hinweg und ermöglicht gleichzeitig eine effiziente Wärmeableitung der Laterne. Dadurch wird vorzugsweise eine thermische Entkopplung von Pumpengehäuse und Motorgehäuse erzielt.
Idealerweise weist die Laterne Elemente zur Oberflächenvergrößerung auf. Diese Elemente können in Form von Kühlrippen ausgestaltet sein. Die thermische Entkopplung des Pumpengehäuses vom Motorgehäuse wird durch die Vergrößerung der Oberfläche der Laterne begünstigt. Dabei sind die oberflächenvergrößernden Elemente plattenförmig und/oder trapezförmig und/oder dreiecksförmig und/oder bogenförmig und/oder ringförmig in Form von Kühlrippen ausgebildet.
Die Laterne ist vorzugsweise zylinderförmig und/oder trompetentrichterförmig ausgebildet. Diese räumliche Ausbildung ist besonders vorteilhaft, um eine zusätzliche Kühlung der Laterne durch den Kühlluftstrom, der vom Motorlüfter erzeugt wird, zu erzielen. In einer alternativen Variante der Erfindung kann die Laterne auch konusförmig und/oder quaderförmig ausgebildet sein.
In einer Variante der Erfindung ist die Laterne einstückig mit dem motorseitigen Druckdeckel des Pumpengehäuses und/oder einstückig mit dem pumpenseitigen Motordeckel ausgebildet. Vorteilhafterweise kann somit die Laterne besonders kompakt ausgeführt werden und ermöglicht eine Pumpenanordnung mit Abmaßen, die auch an Aufstellorten mit eingeschränkten Platzverhältnissen eingesetzt werden kann.
Erfindungsgemäß ist die Laterne pumpenseitig und/oder motorseitig als Lagerträger ausgebildet. Dies führt zu einer besonders kompakten Bauweise der Laterne und gleichzeitig zur Reduktion des Montageaufwands durch Verringerung der Teileanzahl.
Vorteilhafterweise können in der Laterne Ausschnitte in Form von Fenstern zum Eintritt des Kühlluftstroms in das Laterneninnere zur Kühlung der Welle angeordnet sein.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen und aus den Zeichnungen selbst.
Dabei zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Kreiselpumpeneinheit nach dem Stand der Technik,
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Kreiselpumpeneinheit mit oberflächenvergrößernden Elementen,
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Kreiselpumpeneinheit mit oberflächenvergrößernden, bogenförmigen Elementen,
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Kreiselpumpeneinheit mit einer trompetentrichterförmigen Laterne und oberflächenvergrößernden Elementen, Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Kreiselpumpeneinheit mit einer trompetentrichterförmigen Laterne und oberflächenvergrößernden, bogenförmigen Elementen,
Fig. 6 eine schematische Darstellung einer Kreiselpumpeneinheit mit radial ausgerichteten, oberflächenvergrößernden Elementen,
Fig. 7 eine schematische Darstellung einer Kreiselpumpeneinheit mit einer weiteren Ausführung der oberflächenvergrößernden Elemente.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Kreiselpumpeneinheit nach dem Stand der Technik. Eine Laterne 2 ist zwischen einem Pumpengehäuse 1 und einem Motorgehäuse 4 angeordnet und verbindet diese miteinander. Die im Ausführungsbeispiel dargestellte Kreiselpumpe wird zum Fördern von Fluiden eingesetzt, die unter Umständen hohe Temperaturen aufweisen können.
Durch einen Saugmund 7 tritt das Fluid in das Pumpengehäuse 1 der Kreiselpumpe ein. Innerhalb des Pumpengehäuses 3 ist das Laufrad angeordnet. Das Laufrad überträgt kinetische Energie auf das Fluid, das über den Druckstutzen 8 die Kreiselpumpe verlässt. Der mit Fluid und dem Laufrad gefüllte Raum wird von einem Pumpengehäuse 1 und einem Gehäusedeckel begrenzt. Das Laufrad ist drehfest mit einer Welle verbunden, die das Laufrad mittels einer Motoranordnung antreibt. Die Motoranordnung umfasst die Motorelektronik 3, einen Rotor, einen Stator, die Welle, einen pumpenseitigen Motordeckel und ein Motorgehäuse 4. Im Motordeckel ist ein Lagerträger angeordnet, der ein Lager trägt.
Ein auf der Welle angeordnetes Lüfterlaufrad 6 saugt einen Kühlluftstrom axial durch das Lüftergehäuse 5 an zur Überströmung des Motorgehäuses 4 sowie zur Durchströmung des Raumes zwischen Motorgehäuse 4 und Motorelektronik 3. Der mit Pfeilen in der Fig. 1 dargestellte Kühlluftstrom überströmt die Laterne 2 und prallt gegen das Pumpengehäuse 1 . Dadurch wird das Strömungsregime des Kühlluftstroms negativ beeinflusst und die Wärmeabfuhr reduziert.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Kreiselpumpeneinheit mit oberflächenvergrößernden Elementen 9. Die oberflächenvergrößernden Elemente 9 sind in diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung als Kühlrippen ausgebildet. Die Kühlrippen erstrecken sich axial über die Länge des Grundkörpers der Laterne 2 und sind auf der Außenseite der hohlzylinderförmigen Laterne 2 angeordnet. Gemäß der Erfindung beträgt die Breite der axialen Kühlrippen mehr als 1 mm, vorzugsweise mehr als 2 mm, insbesondere mehr als 3 mm, und/oder weniger als 14 mm, vorzugsweise weniger als 12 mm, insbesondere weniger als 10 mm. Die Höhe der axialen Kühlrippen beträgt mehr als 3 mm, vorzugsweise mehr als 5 mm, insbesondere mehr als 7 mm, und/oder weniger als 50 mm, vorzugsweise weniger als 45 mm, insbesondere weniger als 40 mm.
In diesem Ausführungsbeispiel beträgt die Wärmeleitfähigkeit des Laternenmaterials weniger als 40 W/m K, vorzugsweise weniger als 20 W/m K, insbesondere weniger als 10 W/m K, und die Wärmeleitfähigkeit der Kühlrippen mehr als 150 W/m K, insbesondere mehr als 200 W/m K, vorzugsweise mehr als 250 W/m K. Vorzugsweise besteht der Grundkörper der Laterne 2 aus Grauguss oder Aluminium oder Edelstahl.
Erfindungsgemäß sind die oberflächenvergrößernden Elemente 9 axial ausgerichtet. Die axiale Ausrichtung der Kühlrippen begünstigt die Überströmung des Kühlluftstroms, in der Figur mit Pfeilen angedeutet, bei reduziertem Strömungswiderstand und führt zu einer besonders idealen Wärmeableitung der Laterne 2.
Des Weiteren sind in der Laterne 2 Ausschnitte 10 in Form von Fenstern zum Eintritt des Kühlluftstroms in das Laterneninnere zur Kühlung der Welle angeordnet.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Kreiselpumpeneinheit mit oberflächenvergrößernden, bogenförmigen Elementen 9. An dem Grundkörper der Laterne 2 sind mehrere oberflächenvergrößernde Elemente 9 angeordnet, die in diesem Ausführungsbeispiel als bogenförmige bzw. gekrümmte Kühlrippen ausgebildet sind. Die Maße der Kühlrippen entsprechen denen aus Fig. 2. Der vom Lüfterlaufrad 6 erzeugt Kühlluftstrom überströmt die Kühlrippen des Motorgehäuses 4 und im Anschluss die Kühlrippen der Laterne 2. Durch die gebogene Form der Kühlrippen der Laterne 2 erfährt der Kühlluftstrom eine mit Pfeilen in der Fig. 3 dargestellte Umlenkung und prallt nicht senkrecht auf das Pumpengehäuse 1 . Dadurch wird das Strömungsregime des Kühlluftstroms insgesamt verbessert und die Wärmeabführleistung der Laterne 2 sowie des Motorgehäuses 4 gesteigert.
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung einer Kreiselpumpeneinheit mit einer trompetentrichterförmigen Laterne 2 und oberflächenvergrößernden Elementen 9. Die Trompetentrichterform des Ausführungsbeispiels der Laterne 2 ist besonders strömungsoptimiert hinsichtlich des Kühlluftstroms, der vom Lüfterlaufrad 6 erzeugt wird. Der mit Pfeilen in Fig. 4 dargestellte Kühlluftstrom prallt nicht senkrecht gegen das Pumpengehäuse 1 , sondern wird durch die Trompetentrichterform der Laterne 2 über das Pumpengehäuse 1 geleitet. Die Strömungsoptimierung führt zu einer höheren Strömungsgeschwindigkeit des Kühlluftstroms, wodurch auch die Wärmeableitung der axial auf der Laterne 2 angeordneten oberflächenvergrößernden Elemente 9 verbessert ist. Gleichzeitig ist die wärmeabführende Oberfläche der Laterne 2 vergrößert, wodurch die Wärmeabfuhrleistung nochmals gesteigert ist.
In einer Variante der Erfindung kann die trompetentrichterförmige Laterne 2 auch asymmetrisch ausgebildet sein, um die Überströmung eines asymmetrischen ausgebildeten Pumpengehäuses 1 ideal auszubilden. Dabei ist die Form der Laterne 2 an die Form des Pumpengehäuses 1 angepasst.
Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung einer Kreiselpumpeneinheit mit einer trompetentrichterförmigen Laterne 2 und oberflächenvergrößernden, bogenförmigen Elementen 9. Die in diesem Ausführungsbeispiel dargestellte Laterne 2 entspricht weitestgehend der Laterne 2 aus Fig. 4. Zusätzlich sind die oberflächenvergrößernden Elemente 9 in Form von gebogenen Kühlrippen ausgebildet. Dadurch wird der mit Pfeilen dargestellte Kühlluftstrom über das Pumpengehäuse 1 geleitet und gleichzeitig ein Drall erzeugt, der die Wärmeabführleistung verbessert.
Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung einer Kreiselpumpeneinheit mit einer Laterne 2, deren oberflächenvergrößernden Elemente 9 radial ausgerichtet sind. Die Laterne 2 weist mehrere radial angeordnete oberflächenvergrößernde Elemente 9 auf, die in diesem Ausführungsbeispiel als radiale Kühlrippenringe ausgebildet sind. Der Grundkörper der Laterne 2 der Fig. 6 entspricht der Laterne 2 aus Fig. 2. Dabei sind in diesem Ausführungsbeispiel zusätzlich an den hohlzylinderförmigen Grundkörper vier Kühlrippenringe angeordnet. Die Kühlrippenringe weisen eine unterschiedliche Höhe auf, die in Richtung Pumpengehäuse 1 in der Weise ansteigt, so dass die Laterne 2 durch die Kühlrippenringe eine kegelstumpfförmige Gestalt erhält.
Gemäß der Erfindung beträgt die Breite der Kühlrippenringe mehr als 1 mm, vorzugsweise mehr als 2 mm, insbesondere mehr als 3 mm, und/oder weniger als 14 mm, vorzugsweise weniger als 12 mm, insbesondere weniger als 10 mm. Dabei beträgt die Höhe des kleinsten Kühlrippenringes mehr als 3 mm, vorzugsweise mehr als 5 mm, insbesondere mehr als 7 mm, und/oder weniger als 30 mm, vorzugsweise weniger als 25 mm, insbesondere weniger als 20 mm. Gleichzeitig beträgt die Höhe des größten Kühlrippenringes mehr als 20 mm, vorzugsweise mehr als 25 mm, insbesondere mehr als 30 mm, und/oder weniger als 100 mm, vorzugsweise weniger als 90 mm, insbesondere weniger als 80 mm.
Erfindungsgemäß sind die Kühlrippenringe in gleichem Abstand senkrecht an der Laterne 2 angeordnet und dabei erweitert sich symmetrisch die Höhe der Kühlrippenringe in Richtung Pumpengehäuse 1 . In einer alternativen Variante der Erfindung ist die Anordnung der Kühlrippenringe nicht in gleichem Abstand zueinander und/oder die Ausrichtung nicht senkrecht zur Laterne 1 . Dabei kann die Ausrichtung der Kühlrippenringe einen strömungsoptimierten Winkel annehmen. Die Materialdicke der Laterne 2 beträgt mehr als 1 mm, vorzugsweise mehr als 2 mm, insbesondere mehr als 3 mm, und/oder weniger als 14 mm, vorzugsweise weniger als 12 mm, insbesondere weniger als 10 mm.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung können die Kühlrippenringe auf einer Hülse angeordnet sein, die über den hohlzylinderförmigen Grundkörper der Laterne 2 angebracht ist.
Vorteilhafterweise sind die oberflächenvergrößernden Elemente 9 in Form von Kühlrippenringe radial ausgerichtet. Diese Ausrichtung realisiert eine strömungsoptimierte Ableitung des Kühlluftstroms über das Pumpengehäuse 1 hinweg und ermöglicht gleichzeitig eine effiziente Wärmeableitung der Laterne 2 durch Wirbelbildung an den einzelnen Kühlringen. Dadurch wird vorzugsweise eine thermische Entkopplung von Pumpengehäuse und Motorgehäuse erzielt.
Fig. 7 zeigt eine schematische Darstellung einer Kreiselpumpeneinheit mit einer weiteren Ausführung der oberflächenvergrößernden Elemente 9, die in Form von radial ausgerichteten Kühlringen ausgebildet sind. Dabei leiten immer um 90 ° versetzte Eingangskanäle den Kühlluftstrom durch die Fenster 10 der Laterne 2 zur Kühlung der Antriebswelle in das Laterneninnere. Die Kühlrippenringe weisen im Bereich der Fenster 10 Unterbrechungen auf und sind nicht rotationssymmetrisch voll ausgebildet.

Claims

Patentansprüche
Laterne mit Elementen zur Wärmeableitung Pumpenanordnung, insbesondere Kreiselpumpenanordnung, mit einer Laterne (2), die zwischen einem Pumpengehäuse (1 ) und einem Motorgehäuse (4) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass an der Laterne (2) oberflächenvergrößernde Elemente (9) zur Wärmeableitung angeordnet sind. Pumpenanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass über die Länge des Grundkörpers der Laterne (2) der Innendurchmesser konstant bleibt und sich der Außendurchmesser erweitert. Pumpenanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Außendurchmesser des Grundkörpers der Laterne (2) zur Pumpenseite erweitert. Pumpenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Laterne (2) rotationssymmetrisch ausgebildet ist. Pumpenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die oberflächenvergrößernden Elemente (9) an einem Grundkörper der Laterne (2) angeordnet sind. Pumpenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Laterne (2) das Pumpengehäuse (1 ) und das Motorgehäuse (4) unmittelbar verbindet. Pumpenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitfähigkeit der oberflächenvergrößernden Elemente (9) mehr als 150 W/m K, vorzugsweise mehr als 200 W/m K, insbesondere mehr als
250 W/m K beträgt. Pumpenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitfähigkeit der Laterne (2) weniger als 40 W/m K, vorzugsweise weniger als 20 W/m K, insbesondere weniger als 10 W/m K, beträgt. Pumpenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die oberflächenvergrößernden Elemente (9) als Leitelemente zur Führung eines Kühlluftstroms ausgebildet sind und/oder zur Reduzierung des Strömungswiderstandes. Pumpenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die oberflächenvergrößernden Elemente (9) axial ausgerichtet sind. Pumpenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die oberflächenvergrößernden Elemente (9) radial ausgerichtet sind. Pumpenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die oberflächenvergrößernden Elemente (9) plattenförmig und/oder trapezförmig und/oder bogenförmig und/oder dreiecksförmig und/oder ringförmig ausgebildet sind.
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