WO2021170327A1 - Thermally optimised coolant pump - Google Patents

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WO2021170327A1
WO2021170327A1 PCT/EP2021/051676 EP2021051676W WO2021170327A1 WO 2021170327 A1 WO2021170327 A1 WO 2021170327A1 EP 2021051676 W EP2021051676 W EP 2021051676W WO 2021170327 A1 WO2021170327 A1 WO 2021170327A1
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WO
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heat dissipation
housing
section
power electronics
circuit board
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Application number
PCT/EP2021/051676
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German (de)
French (fr)
Inventor
Paul Michael Ludwig
Franz Pawellek
Original Assignee
Nidec Gpm Gmbh
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Publication date
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    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04DNON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00Details, component parts, or accessories
    • F04D29/58Cooling; Heating; Diminishing heat transfer
    • F04D29/5813Cooling the control unit
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04DNON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D13/00Pumping installations or systems
    • F04D13/02Units comprising pumps and their driving means
    • F04D13/06Units comprising pumps and their driving means the pump being electrically driven
    • F04D13/0686Mechanical details of the pump control unit
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • F04D29/42Casings; Connections of working fluid for radial or helico-centrifugal pumps
    • F04D29/426Casings; Connections of working fluid for radial or helico-centrifugal pumps especially adapted for liquid pumps
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05DINDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00Function
    • F05D2260/30Retaining components in desired mutual position

Definitions

  • the present invention relates to an electric coolant pump with an optimized construction with regard to thermally critical power electronics of an electric motor.
  • coolant pumps are preferred for thermal management of internal combustion engines in vehicle construction.
  • the coolant pump in the engine compartment of a vehicle is exposed to numerous environmental influences, such as temperature fluctuations, moisture and dirt. Therefore, coolant pumps including the electric drive are designed in an externally closed or encapsulated design that is sealed against external influences.
  • an electric motor When using an electric motor as a pump motor, it is usually encapsulated together with power electronics in order to protect it from external corrosive influences and contamination during operation. Due to the common encapsulation of the electric motor and the power electronics, the waste heat of the electric motor, which is associated with its power loss, cannot be dissipated by an air flow as in other applications. Part of the waste heat from the electric motor thus flows directly into the electronic components of the power electronics of the coolant pump as heat input.
  • the power loss is up to about 20% of the electric power, so that in a pump motor with 500 W, such as is used, for example, in a coolant pump of a coolant circuit in a car.
  • a heat input of up to 100 W can occur, which is also generated by the coolant pump the waste heat of the coolant is also absorbed.
  • the field coils of the stator can reach temperatures of up to 200 ° C.
  • coolant pumps which use a heat exchange with the coolant of the internal combustion engine to maintain the permissible operating temperature of the electronic components.
  • the coolant has a much higher coefficient of thermal conductivity of around 0.441 W / mK compared to air with 0.0262W / mK.
  • it maintains a defined temperature range when the coolant circuit is in operation, whereas the temperature of the air varies greatly depending on the environment, in particular the internal combustion engine, and possibly a movement speed.
  • the patent application DE 10 2018 104 015 A1 by the same applicant describes a coolant pump with an optimized bearing arrangement and an improved heat balance.
  • a coolant-lubricated slide bearing is accommodated in a carrier flange.
  • a cylindrical part of the carrier flange extends to an electric motor and a flange-shaped separating section extends radially to a peripheral wall of a motor housing.
  • An annular control unit is arranged in a motor chamber, with heat dissipation being provided for the control unit via the support flange.
  • the Japanese patent application JP 2017 110 593 A describes an electric circulation pump with a motor chamber and a pump chamber, which are separated from one another by a metallic partition wall of the housing.
  • an electronic circuit board is arranged on the partition, which can transfer waste heat to the conveying medium by means of a heat exchanger.
  • the publication DE 11 2013 003 549 T5 describes an electric canned water pump with a wet rotor motor.
  • a so-called wet liner or a containment can separates a fluid-carrying area, in which the rotor is arranged, from the stator.
  • a so-called electronic donut, i.e. control electronics on a ring-shaped printed circuit board, is arranged directly next to the stator and is consequently exposed to its waste heat.
  • the ring-shaped printed circuit board is arranged around the pump impeller and is cooled by the wet sleeve or the can. The can runs through the air gap between the rotor and the stator.
  • Such cans are generally as thin as possible designed to keep a reduction in the electromotive efficiency at the air gap as low as possible.
  • the use of the can causes an enlargement of the air gap and the material in the air gap represents an impairment of the magnetic flux between the field coils of the stator and the rotor.
  • a further reduction in efficiency is caused by splashing losses of the rotor, which moves in the fluid.
  • wet-rotor motors have the cost disadvantage that the rotor and the stator have to be individually tailored to the geometry of the containment shell, i.e. the geometry of a pump model, and cannot be obtained cheaply as a standardized unit like a dry-running electric motor.
  • One object of the present invention is to create an alternative structure for an electric coolant pump with a dry-running electric motor which provides improved temperature control of power electronics.
  • the electrical coolant pump is characterized in that a drive housing has a central bearing receiving section in which a shaft bearing is received; and a separate heat dissipation wall from the drive housing is also provided, which separates the electric motor from the pump housing and is in thermal contact with the power electronics.
  • the heat dissipation wall is exposed to an open cross-sectional area of the pump chamber and an open cross-sectional area of the volute casing section.
  • the heat dissipation wall has a lower surface-related heat storage capacity than the bearing receiving section, the spiral housing section and the flange sections.
  • the invention provides for the first time a separate wall to delimit a liquid-carrying area, through which a shaft of a dry-running drive passes, and which is neither an integral part of the drive housing or the pump housing, nor a supporting function in the Housing construction met.
  • the invention further provides for the first time in a cross section of the pump impeller a separate wall for delimiting the pump chamber, which wall has a lower surface-related heat storage capacity than adjoining housing sections.
  • the structure of the pump housing does not follow a common design approach which provides for an integration of elements to achieve a smaller number of components and seals. Instead, the structure of the pump housing follows an approach of assigning a function to individual elements or sections of the housing and, if necessary, removing them from a conventional design and designing them with a quality optimized for the assigned function.
  • This property is known, for example, from aluminum heat sinks.
  • it is sufficient to design solid load-bearing elements, i.e. in particular without insulating cavities, and to manufacture them from aluminum or an aluminum die-cast alloy.
  • the invention is based on the knowledge that improved dynamic heat dissipation can be achieved in operating states of increasing electrical power, in particular through a lower thermal resistance in a heat conduction path between the heat source and the conveying flow in a housing.
  • heat storage capacities of the housing within the heat conduction path represent inertia as a component of the thermal resistance, i.e. delaying intermediate storage in a dynamic heat flow.
  • Housings are usually manufactured as cast parts, the complex shape of which combines various elements and points for delimitation, accommodation, fastening, etc. in an integral body. With regard to pumps, this saves components and sealing points. Housing walls, which are used to delimit a liquid-carrying area of a pump and have a breakthrough for a shaft, are always made solid due to the casting technology and have functional shaped sections for fastening or receiving a seal or a bearing or other supporting function. Furthermore, these housing walls are conventionally made of the same material as surrounding housing walls with a different function.
  • the housing is divided into separate sections.
  • the drive housing takes on the load-bearing functions for accommodating the electric motor and for fixing the shaft.
  • the separately designed heat dissipation wall takes on the function of a delimitation between the liquid-carrying area in the pump housing and the drive housing.
  • the reduced heat storage capacity ensures a heat source that is in thermal contact with the heat dissipation wall, a faster heat dissipation.
  • the invention also provides, as a heat source on the part of the electric drive, to put the power electronics for a brushless electric motor, which includes field effect transistors and capacitors with a high power consumption, in thermal contact with the heat dissipation wall.
  • This provides faster heat dissipation of dynamic heat flows from the power dissipation of the power electronics, so that with increasing load conditions, waste heat is less temporarily stored on the part of the housing, but rather heat can be absorbed and dissipated as directly as possible through the conveying flow.
  • the heat dissipating wall can have a smaller wall thickness than the bearing receiving section, the spiral housing section and the flange sections.
  • a smaller wall thickness is the easiest way to shorten the length of the heat dissipation section, i.e. to reduce the area-related mass and thus also the area-related heat storage capacity of the heat dissipation wall within a heat conduction section.
  • the heat dissipation wall can be designed as a metal sheet with a wall thickness of 0.2 to 1.5 mm.
  • a thin metal sheet would be unsuitable, especially in the present case of a flat extension without stiffening structures.
  • the thin one Execution of the wall thickness extends a suitable choice of materials to metals that have a lower specific thermal conductivity than aluminum.
  • a stainless steel sheet or steel sheet that is protected against corrosion can be used, which due to the small wall thickness still has a lower area-related heat storage capacity than a comparatively solid housing wall made of a cast aluminum alloy or as a milled aluminum part.
  • the heat cablcit wall can extend essentially flat in an axial region between the flange section of the pump housing and the flange section of the drive housing.
  • a planar extension without stiffening structures is structurally made possible by the design of the drive housing according to the invention, on which a flange section and a bearing receiving section with a load-bearing function arranged centrally therein are formed.
  • a flat heat dissipation wall does not contain any flow obstacles on the part of the volute casing or the rear pump chamber behind the pump impeller.
  • the heat dissipating wall can be fixed in a flange plane between the flange section of the pump housing and the flange section of the drive housing.
  • the heat dissipation wall can be in direct thermal contact with a surface of a rear side of a circuit board of the power electronics.
  • This configuration represents an area-optimized thermal connection of the power electronics.
  • thermal paste can be applied to support full-area contact during assembly.
  • At least one metallized surface through which a thermal contact can be arranged on a rear side of a printed circuit board is provided between the heat dissipation wall and the back of the circuit board.
  • this embodiment represents a means with optimized thermal conductivity for the thermal connection of the printed circuit board.
  • At least one metallized hole can be arranged, which extends from a rear side through the printed circuit board to a component side, whereby a thermal contact between the heat dissipation wall and an electrical component of the power electronics is established via the at least one metallized hole.
  • this embodiment represents a means with optimized thermal conductivity, by means of which a thermal connection of a transistor, a capacitor, or the like is established on the component side of the printed circuit board that is opposite the heat dissipation wall.
  • Power electronics can be arranged at least one opening, and a metallic component extend from a rear side through the opening to a component side of the circuit board, whereby a thermal contact is provided between the heat dissipation wall and an electrical component of the power electronics via the metallic component.
  • This embodiment represents a means with optimized thermal conductivity, by means of which a thermal connection of a transistor, a capacitor, or the like is established on the component side of the printed circuit board that is opposite the heat dissipation wall.
  • the heat dissipation wall can be pronounced
  • the heat dissipation wall can have a pronounced section and an opening can be arranged in a circuit board of the power electronics, the pronounced section extending from a rear side of the circuit board through the opening to a component side of the circuit board, whereby a direct thermal contact between the heat dissipation wall and an electrical component of the power electronics is provided.
  • This preferred variant provides, for the first time, a configuration of the heat dissipation wall that extends through the printed circuit board and thus creates a direct thermal connection of a transistor, capacitor, or the like to the heat dissipation wall.
  • FIG. 1 shows a cross section through a structure of an electric coolant pump according to an embodiment of the invention
  • FIG. 2 shows a perspective top view of the heat dissipating wall in an assembled state of the electric coolant pump according to the embodiment of the invention
  • FIG. 3 shows a perspective top view of the printed circuit board in an assembled state of the electric coolant pump according to the embodiment of FIG.
  • FIG. 4 shows a perspective top view into the drive housing with a mounted electric motor of the electric coolant pump according to the embodiment of the invention.
  • FIG. 1 shows a cross section through the structure of an electric coolant pump according to an embodiment of the invention.
  • the structure of the electric coolant pump shown in FIG. 1 is essentially divided into a pump assembly and a drive assembly, which are connected in a flange plane.
  • a pump housing 1 which is manufactured as a molded part and integrally comprises a plurality of sections.
  • the pump housing 1 thus comprises a pump chamber 10 in which a pump impeller 4 is rotatably received, and a spiral housing section 14 which surrounds the pump chamber 10 to a radial outlet area of the pump impeller 4.
  • the spiral housing section 14 forms a channel which leads a radially accelerated delivery flow to an outlet which is not visible in the cross section shown.
  • An inlet 11 of the pump housing 1 is designed as a connecting piece which feeds the delivery centrally to the pump impeller 4.
  • the pump housing 1 points to a rear side of the pump chamber 10 and the spiral housing 14, that is to say in the direction of flow behind the
  • Pump impeller 4 an open side, which is open over an entire cross section of a fluid-carrying area.
  • An open cross-sectional area on the open side of the pump housing 1 is surrounded by a flange section 12.
  • the flange section 12 is used for the mutual fastening of the pump assembly and the drive assembly and has corresponding means, such as bores and threads for a detachable screw connection.
  • a drive housing 2 is arranged on the side shown on the left.
  • the drive housing 2 comprises a housing wall 23 which encloses an electric motor 3.
  • a receptacle for a stator of the electric motor 3 is formed in the housing wall 23.
  • the electric motor 3 is inserted axially through an open rear side of the drive housing 2.
  • the open rear side is closed by a motor cover 7.
  • the motor cover 7 is made from sheet metal and is fixed by deforming a beaded edge which engages in an undercut which is formed circumferentially on an outer side of the housing wall 23.
  • a seal 72 is arranged between the motor cover 7 and an axial end face of the housing wall 23.
  • a central bearing receiving section 25 is provided in the drive housing 2 and is connected to the outer housing wall 23 via radial housing webs 22.
  • a shaft bearing 52 is pressed in, which serves at least for the radial mounting of a shaft 5 and is designed as a roller bearing, a slide bearing or the like.
  • the shaft bearing 52 is not with one illustrated arrangement of shaft seals between the bearing receiving portion 25 and a circumference of the shaft 5 sealed in a liquid-tight manner.
  • the pump impeller 4 is fixed in a rotationally fixed manner on a section of the shaft 5 which is directed towards the pump housing 1.
  • a rotor of the electric motor 3 is fixed in a rotationally fixed manner on a section of the shaft 5 which is directed towards the motor cover 7.
  • the drive housing 2 has an open side towards the pump housing 1, the open cross section of which extends around the bearing receiving section 25 essentially radially to the housing wall 23. Outside the open cross-section, the drive housing 2 comprises a flange section 21.
  • the flange section 21 serves to fasten the pump assembly and the drive assembly to one another and has corresponding means such as bores for a detachable screw connection.
  • the drive housing 2 is produced as a molded part, which comprises the flange section 21, the housing wall 23, the radial housing webs 22 and the bearing receiving section 25 in an integral manner.
  • Power electronics 30 with a printed circuit board are arranged in the open cross section of the open side of the drive housing 2.
  • the power electronics 30 are used to control field coils of the electric motor 3 from an electrical power supply.
  • the electric motor 3 is a brushless direct current motor with an external stator and an internal, permanently excited rotor.
  • a connector 35 is arranged in the region of the flange section 21 on the drive housing 2, which is electrically connected to the power electronics 30.
  • electrical components (not shown) are arranged on a component side of the circuit board that faces the electric motor 3.
  • electrical components are arranged in a radial area that overlaps with the spiral housing section 14, such electrical components are arranged which have a high electrical power throughput and generate a correspondingly high amount of waste heat, such as transistors or capacitors, for example.
  • a rear side of the printed circuit board of the power electronics 30 facing the pump housing 1 is provided with a Heat dissipation wall 6 in connection.
  • the heat dissipation wall 6 is provided by a metal sheet which extends through the flange plane between the pump housing 1 and the drive housing 2.
  • the heat dissipation wall 6 delimits the open cross section of the open side of the drive housing 2 from the fluid-conducting, open cross section of the pump chamber 10 and of the spiral housing section 14 in the open side of the pump housing 1.
  • a dry chamber for the electrical drive components in the drive housing 2 is thus ensured.
  • the heat dissipation wall 6 has a bore for the shaft 5 to pass through. The bore encloses an outer circumference of the bearing receiving section 25.
  • the bearing receiving section 25 further comprises a collar 26 which supports the thin metal sheet of the heat dissipating wall 6 against a delivery pressure in the fluid-carrying region of the pump assembly.
  • An annular groove is worked into the collar 26, in which a seal 65 for sealing between the bearing receiving section 25 and the heat dissipating wall 6 is arranged.
  • a groove is also worked into the flange section 21, in which a seal 62 for sealing between the flange section 21 and the heat dissipating wall 6 is arranged.
  • a groove is worked into the flange section 12 of the pump housing 1, in which a seal 61 for sealing the flange section 12 to the heat dissipating wall 6 is arranged.
  • the heat dissipation wall 6 has deformation sections 60 which, after deformation, encompass the flange section 21 and thus enable a form-fitting joint connection for independent fixation of the heat dissipation wall 6 on the drive housing 2.
  • the heat dissipation wall 6 extends, in particular in the liquid-carrying region of the pump housing 1, essentially flat in the flange plane in order to avoid flow obstacles in the delivery flow.
  • a recess 63 is formed in the heat dissipation wall 6 to provide space for positioning means and contacting means between the power electronics 30 and the connector 35 and for an optional rear-side assembly of the circuit board, for example with an operating voltage of 48 V create.
  • the bead-like formation 63 can also be made larger or wider than shown.
  • 2 shows a top view of the heat dissipation wall 6 from one direction of the pump housing 1.
  • the heat dissipation wall 6 is produced as a stamped sheet metal part which essentially corresponds to an outer contour of the flange section 21 of the drive housing 2 in order to close off the open side in the flange plane.
  • FIG. 3 shows a plan view of the rear side of the printed circuit board of the power electronics 30, which in this perspective is located below the heat dissipating wall 6 from FIG. 2 in a receptacle in the drive housing 2.
  • FIG. 4 is a plan view of the open side of the drive housing 2 and the opened cross section, which is delimited by the heat dissipating wall 6 and sealed by the seal 62.
  • Axial plug connections for mutual alignment and electrical contacting between the electric motor 3 and the power electronics 30 are provided between the radial housing webs 22.
  • Positioning means for alignment and electrical contacting of power electronics 30 are also provided on a socket of connector plug 35 and in a multiple plug connection.
  • the heat dissipation wall 6 is made of sheet metal with a wall thickness of approximately 1.0 mm. Compared to the wall sections of the mold parts which form the drive housing 2 or the pump housing 1, the heat dissipation wall 6 has a considerably lower mass per unit area. Accordingly, the heat dissipation wall 6, taking into account thermal material properties, such as a specific thermal conductivity of suitable materials for the heat dissipation wall 6 and the drive housing 2 or the pump housing 1, has a lower area-related heat storage capacity. In addition, a heat conduction path from a thermal contact surface to the printed circuit board of the power electronics 30 to an interface of the liquid-carrying area is shorter. Accordingly, an improved heat dissipation according to the invention of waste heat from the power electronics 30 to the conveying flow is provided, which takes place essentially without intermediate storage in a housing section. Alternative embodiments for the configuration of a thermal contact are mentioned below.
  • the circuit board of the power electronics 30 and the heat dissipation wall 6 are in large-area contact, which can optionally be additionally ensured by heat conducting agents such as a heat conducting paste, a heat conducting adhesive or a heat conducting pad.
  • further means for supporting heat dissipation between the power electronics 30 and the heat dissipating wall 6, in particular in relation to the component side of the circuit board can also be provided.
  • metallic connections are arranged between the rear side of the circuit board and the component side of the circuit board in the power electronics 30.
  • the metallic connections can be provided in the form of a metallized bore, metallized surfaces on the printed circuit board, or metallic elements which reach through an opening in the printed circuit board.
  • Such metallic connections establish thermal contact from the heat dissipation wall 6, through the printed circuit board, to an electrical component, such as a transistor or a capacitor.
  • shaped sections are formed in the heat dissipating wall 6, which are directed towards the printed circuit board of the power electronics 30.
  • the shaped, pronounced sections produce thermal contact to selected areas of the printed circuit board in which electrical components with a high electrical power throughput are arranged.
  • a section which is marked by deformation is formed in the heat dissipating wall 6, which extends through an opening in the circuit board to the component side.
  • the deformed, stamped portion is associated with an electrical component, such as a Transistor or a capacitor in connection.
  • an electrical component such as a Transistor or a capacitor in connection.
  • a direct thermal contact is established between the electrical component and the heat dissipating wall 6, which does not require any material boundaries of an intermediate metallic connection.

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Abstract

The invention relates to a thermally optimised coolant pump. The electrical coolant pump is characterised in that a drive housing (2) has a central bearing holder section (25), in which a shaft bearing (52) is accommodated, and a heat dissipation wall (6) that is separate from the drive housing (2) is provided, which separates an electric motor (3) from a pump housing (1), and is in thermal contact with a power electronics system (30). The heat dissipation wall (6) is exposed to an open cross-sectional area of a pump chamber (10) and to an open cross-sectional area of a spiral housing section (14). In particular, the heat dissipation wall (6) has a lower area-related heat storage capacity than the bearing holder section (25), the spiral housing section (14) and the flange sections (12, 21).

Description

Beschreibung description
Thermisch optimierte Kühlmittelpumpe Thermally optimized coolant pump
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Kühlmittelpumpe mit einer optimierten Konstruktion in Bezug auf eine thermisch kritische Leistungselektronik eines Elektromotors. The present invention relates to an electric coolant pump with an optimized construction with regard to thermally critical power electronics of an electric motor.
Aufgrund der flexiblen Steuerungsmöglichkeiten werden zum Thermomanagement von Verbrennungsmaschinen im Fahrzeugbau bevorzugt elektrische Kühlmittelpumpen eingesetzt. Die Kühlmittelpumpe ist im Motorraum eines Fahrzeugs zahlreichen Umgebungseinflüssen, wie Temperaturschwankungen, Feuchtigkeit und Verschmutzungen ausgesetzt. Daher werden Kühlmittelpumpen einschließlich des elektrischen Antriebs in einer nach außen abgeschlossenen bzw. gekapselten Bauform ausgestaltet, die gegen äußere Einflüsse abgedichtet ist. Due to the flexible control options, electrical coolant pumps are preferred for thermal management of internal combustion engines in vehicle construction. The coolant pump in the engine compartment of a vehicle is exposed to numerous environmental influences, such as temperature fluctuations, moisture and dirt. Therefore, coolant pumps including the electric drive are designed in an externally closed or encapsulated design that is sealed against external influences.
Bei der Verwendung eines Elektromotors als Pumpenmotor ist dieser in der Regel mit einer Leistungselektronik gemeinsam gekapselt, um selbige vor äußeren korrosiven Einflüssen und Verschmutzungen im Betrieb zu schützen. Durch die gemeinsame Kapselung des Elektromotors und der Leistungselektronik kann die Abwärme des Elektromotors, die mit dessen Verlustleistung einhergeht, jedoch nicht wie in anderen Anwendungen durch einen Luftstrom abgeführt werden. Somit fließt ein Teil der Abwärme des Elektromotors unmittelbar als Wärmeeintrag in die elektronischen Bauteile der Leistungselektronik der Kühlmittelpumpe ein. When using an electric motor as a pump motor, it is usually encapsulated together with power electronics in order to protect it from external corrosive influences and contamination during operation. Due to the common encapsulation of the electric motor and the power electronics, the waste heat of the electric motor, which is associated with its power loss, cannot be dissipated by an air flow as in other applications. Part of the waste heat from the electric motor thus flows directly into the electronic components of the power electronics of the coolant pump as heat input.
Bei einem geeigneten elektrischen Pumpenmotor beträgt die Verlustleistung bis zu etwa 20% der elektrischen Leistung, so dass bei einem Pumpenmotor mit 500 W, wie er beispielsweise in einer Kühlmittelpumpe eines Kühlmittelkreislaufs in einem PKW eingesetzt wird. Im Volllastbetrieb kann je nach Konstruktion des Elektromotors ein Wärmeeintrag von bis zu 100 W entstehen, der von der Kühlmittelpumpe zusätzlich über die Abwärme des Kühlmittels hinaus aufgenommen wird. Die Feldspulen des Stators können so Temperaturen bis zu 200 °C erreichen. In the case of a suitable electric pump motor, the power loss is up to about 20% of the electric power, so that in a pump motor with 500 W, such as is used, for example, in a coolant pump of a coolant circuit in a car. In full load operation, depending on the design of the electric motor, a heat input of up to 100 W can occur, which is also generated by the coolant pump the waste heat of the coolant is also absorbed. The field coils of the stator can reach temperatures of up to 200 ° C.
Im Stand der Technik sind Kühlmittelpumpen bekannt, die zur Einhaltung der zulässigen Betriebstemperatur der elektronischen Bauteile einen Wärmeaustausch zu dem Kühlmittel des Verbrennungsmotors nutzen. Das Kühlmittel weist einen vielfach höheren Wärmeleitkoeffizienten von etwa 0,441 W/mK gegenüber Luft mit 0,0262W/mK auf. Zudem hält es im Betrieb des Kühlmittelkreislaufs einen definierten Temperaturbereich ein, wohingegen die Temperatur der Luft in Abhängigkeit von der Umgebung, insbesondere des Verbrennungsmotors, und ggf. einer Bewegungsgeschwindigkeit stark variiert. In the prior art, coolant pumps are known which use a heat exchange with the coolant of the internal combustion engine to maintain the permissible operating temperature of the electronic components. The coolant has a much higher coefficient of thermal conductivity of around 0.441 W / mK compared to air with 0.0262W / mK. In addition, it maintains a defined temperature range when the coolant circuit is in operation, whereas the temperature of the air varies greatly depending on the environment, in particular the internal combustion engine, and possibly a movement speed.
Es sind Bemühungen in unterschiedlichen konstruktiven Ausgestaltungen unternommen worden, um die Leistungselektronik in einen Wärmeaustausch mit dem Kühlmittel einzubinden, das durch die Kühlmittelpumpe gefördert wird. Das Kühlmittel nimmt im Fährbetrieb eine Solltemperatur von etwa 110 °C ein, und kann unter besonderen Belastungszuständen kurzfristig auf 120 °C oder bis 130 °C ansteigen. Bei einer Temperatur von wenigen zehn Grad darüber entstehen bereits Schäden in elektronischen Bauteilen. Solange ein Temperaturverlauf der Leistungselektronik eng an den Temperaturverlauf des Kühlmittels gekoppelt bleibt, kann eine Überhitzung der Leistungselektronik verhindert werden. Hierzu muss jedoch ein effizienter Wärmeübergang geschaffen werden, sodass in Belastungszuständen nur eine geringe Temperaturdifferenz der Leistungselektronik zu dem Kühlmittel entsteht. Efforts have been made in different constructive configurations to incorporate the power electronics into a heat exchange with the coolant that is conveyed by the coolant pump. During ferry operation, the coolant assumes a setpoint temperature of around 110 ° C, and under particular load conditions can briefly rise to 120 ° C or up to 130 ° C. At a temperature of a few tens of degrees above this, damage can already occur in electronic components. As long as a temperature profile of the power electronics remains closely linked to the temperature profile of the coolant, overheating of the power electronics can be prevented. For this, however, an efficient heat transfer must be created so that only a small temperature difference between the power electronics and the coolant arises in load conditions.
Ein Beispiel aus dem Stand der Technik, das die Problemstellung eines Wärmeaustauschs zwischen einer Leistungselektronik einer Kühlmittelpumpe und dem geforderten Kühlmittelstrom aufgreift, ist in der DE 10 2015 114 783 A1 beschrieben. Die Patentanmeldung derselben Anmelderin beschreibt eine elektrische Kühlmittelpumpe, bei der sich eine ECU auf einer Seite des Pumpengehäuses befindet, die dem elektrischen Motor gegenüberliegt, und innerhalb einer Abdeckung in der Form eines Donuts bzw. ringförmig um den zentralen Einlass herum angeordnet ist. Die vordere Seite der Pumpenkammer, die zur ECU weist, ist durch einen Pumpendeckel aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit abgeschlossen, der einen verbesserten Wärmeaustausch zwischen dem Kühlmittel in der Pumpenkammer und der ECU ermöglichen soll. Es ist vorgesehen, den Pumpendeckel als massives gefrästes Aluminiumteil herzustellen, das eine bessere Wärmeleitfähigkeit als eine Gusslegierung für ein Spiralgehäuse aufweist. An example from the prior art that addresses the problem of heat exchange between power electronics of a coolant pump and the required coolant flow is described in DE 10 2015 114 783 A1. The commonly owned patent application describes an electric coolant pump in which an ECU is located on a side of the pump housing opposite the electric motor and is located within a donut-shaped cover or ring around the central inlet. The front side of the pump chamber facing the ECU is made of a pump cover Completed material with high thermal conductivity, which should allow an improved heat exchange between the coolant in the pump chamber and the ECU. It is intended to manufacture the pump cover as a solid, milled aluminum part, which has better thermal conductivity than a cast alloy for a volute casing.
Die Patentanmeldung DE 10 2018 104 015 A1 derselben Anmelderin beschreibt eine Kühlmittelpumpe mit einer optimierten Lageranordnung und einem verbesserten Wärmehaushalt. Ein kühlmittelgeschmiertes Gleitlager ist in einem Trägerflansch aufgenommen. Ein zylindrischer Teil des Trägerflansches erstreckt sich zu einem Elektromotor und ein flanschförmiger Trennabschnitt erstreckt sich radial zu einer Umfangswand eines Motorgehäuses. In einer Motorkammer ist eine ringförmige Steuereinheit angeordnet, wobei eine Wärmeableitung für die Steuereinheit über den Trägerflansch vorgesehen ist. Um die Kräfte des Wellenlagers aufnehmen zu können, ist es erforderlich, den Trägerflansch entsprechend massiv zu dimensionieren. The patent application DE 10 2018 104 015 A1 by the same applicant describes a coolant pump with an optimized bearing arrangement and an improved heat balance. A coolant-lubricated slide bearing is accommodated in a carrier flange. A cylindrical part of the carrier flange extends to an electric motor and a flange-shaped separating section extends radially to a peripheral wall of a motor housing. An annular control unit is arranged in a motor chamber, with heat dissipation being provided for the control unit via the support flange. In order to be able to absorb the forces of the shaft bearing, it is necessary to dimension the carrier flange correspondingly massive.
Die japanische Patentanmeldung JP 2017 110 593 A beschreibt eine elektrische Umwälzpumpe mit einer Motorkammer und einer Pumpenkammer, die durch eine metallische Trennwand des Gehäuses voneinander getrennt sind. Im Bereich des Spiralgehäuses ist auf der Seite der Motorkammer eine Elektronikplatine an der Trennwand angeordnet, die mittels eines Wärmeüberträgers Abwärme hin zu dem Fördermedium übertragen kann. The Japanese patent application JP 2017 110 593 A describes an electric circulation pump with a motor chamber and a pump chamber, which are separated from one another by a metallic partition wall of the housing. In the area of the spiral housing on the side of the motor chamber, an electronic circuit board is arranged on the partition, which can transfer waste heat to the conveying medium by means of a heat exchanger.
Die Veröffentlichungsschrift DE 11 2013 003 549 T5 beschreibt eine elektrische Spaltrohrwasserpumpe mit einem Nassläufermotor. Eine so bezeichnete Nassbüchse bzw. ein Spalttopf trennt einen fluidführenden Bereich, in dem der Rotor angeordnet ist, von dem Stator ab. Ein so bezeichneter elektronischer Donut, das heißt eine Steuerungselektronik auf einer ringförmigen Leiterplatte, ist direkt neben dem Stator angeordnet und ist folglich dessen Abwärme ausgesetzt. Die ringförmige Leiterplatte ist jedoch um das Pumpenlaufrad herum angeordnet und wird durch die Nassbüchse bzw. das Spaltrohr gekühlt. Das Spaltrohr verläuft durch den Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator. Derartige Spaltrohre werden im Allgemeinen möglichst dünn ausgestaltet, um eine Herabsetzung der elektromotorischen Effizienz am Luftspalt so gering wie möglich zu halten. Denn der Einsatz des Spaltrohrs bedingt eine Vergrößerung des Luftspalts und das im Luftspalt befindliche Material stellt eine Beeinträchtigung des magnetischen Flusses zwischen den Feldspulen des Stators und dem Rotor dar. Eine weitere Herabsetzung der Effizienz entsteht durch Planschverluste des Rotors, der sich im Fluid bewegt. Neben der schlechteren Effizienz weisen Nassläufermotoren den Kostennachteil auf, dass der Rotor und der Stator auf die Geometrie des Spalttopfs, d.h. auf die Geometrie eines Pumpenmodells individuell zugeschnitten gefertigt werden müssen, und nicht als standardisierte Einheit wie ein trockenlaufender Elektromotor günstig bezogen werden können. The publication DE 11 2013 003 549 T5 describes an electric canned water pump with a wet rotor motor. A so-called wet liner or a containment can separates a fluid-carrying area, in which the rotor is arranged, from the stator. A so-called electronic donut, i.e. control electronics on a ring-shaped printed circuit board, is arranged directly next to the stator and is consequently exposed to its waste heat. However, the ring-shaped printed circuit board is arranged around the pump impeller and is cooled by the wet sleeve or the can. The can runs through the air gap between the rotor and the stator. Such cans are generally as thin as possible designed to keep a reduction in the electromotive efficiency at the air gap as low as possible. The use of the can causes an enlargement of the air gap and the material in the air gap represents an impairment of the magnetic flux between the field coils of the stator and the rotor. A further reduction in efficiency is caused by splashing losses of the rotor, which moves in the fluid. In addition to the poorer efficiency, wet-rotor motors have the cost disadvantage that the rotor and the stator have to be individually tailored to the geometry of the containment shell, i.e. the geometry of a pump model, and cannot be obtained cheaply as a standardized unit like a dry-running electric motor.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen alternativen Aufbau für eine elektrische Kühlmittelpumpe mit einem trockenlaufenden Elektromotor zu schaffen, der eine verbesserte Temperaturführung einer Leistungselektronik bereitstellt. One object of the present invention is to create an alternative structure for an electric coolant pump with a dry-running electric motor which provides improved temperature control of power electronics.
Die Aufgabe wird durch eine elektrische Kühlmittelpumpe mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 1 gelöst. The object is achieved by an electric coolant pump with the features of main claim 1.
Die elektrische Kühlmittelpumpe zeichnet sich dadurch aus, dass ein Antriebsgehäuse einen zentralen Lageraufhahmeabschnitt aufweist, in dem ein Wellenlager aufgenommen ist; und ferner eine zu dem Antriebsgehäuse separate Wärmeableitwand bereitgestellt ist, die den Elektromotor von dem Pumpengehäuse abgrenzt, und in einem thermischen Kontakt mit der Leistungselektronik steht. Die Wärmeableitwand liegt zu einer offenen Querschnittsfläche der Pumpenkammer und einer offenen Querschnittsfläche des Spiralgehäuseabschnitts frei. Insbesondere weist die Wärmeableitwand eine geringere flächenbezogene Wärmespeicherkapazität als der Lageraufnahmeabschnitt, der Spiralgehäuseabschnitt und die Flanschabschnitte auf. The electrical coolant pump is characterized in that a drive housing has a central bearing receiving section in which a shaft bearing is received; and a separate heat dissipation wall from the drive housing is also provided, which separates the electric motor from the pump housing and is in thermal contact with the power electronics. The heat dissipation wall is exposed to an open cross-sectional area of the pump chamber and an open cross-sectional area of the volute casing section. In particular, the heat dissipation wall has a lower surface-related heat storage capacity than the bearing receiving section, the spiral housing section and the flange sections.
Die Erfindung sieht erstmals eine separate Wand zur Abgrenzung eines flüssigkeitsführenden Bereichs vor, durch welche eine Welle eines trockenlaufenden Antriebs hindurchtritt, und die weder als integraler Bestandteil des Antriebsgehäuses oder des Pumpengehäuses ausgebildet ist, noch eine tragende Funktion in der Gehäusekonstruktion erfüllt. Dabei sieht die Erfindung ferner erstmals in einem Querschnitt des Pumpenlaufrads eine separate Wand zur Abgrenzung der Pumpenkammer vor, die eine geringere flächenbezogene Wärmespeicherkapazität als angrenzende Gehäuseabschnitte aufweist. The invention provides for the first time a separate wall to delimit a liquid-carrying area, through which a shaft of a dry-running drive passes, and which is neither an integral part of the drive housing or the pump housing, nor a supporting function in the Housing construction met. The invention further provides for the first time in a cross section of the pump impeller a separate wall for delimiting the pump chamber, which wall has a lower surface-related heat storage capacity than adjoining housing sections.
In der allgemeinsten Form der Erfindung folgt der Aufbau des Pumpengehäuses nicht einem üblichen Konstruktionsansatz, der eine Integration von Elementen zur Erzielung einer geringeren Anzahl von Bauteilen und Abdichtungen vorsieht. Stattdessen folgt der Aufbau des Pumpengehäuses einem Ansatz, einzelnen Elementen oder Abschnitten des Gehäuses eine Funktion zuzuweisen, und diese aus einer herkömmlichen Konstruktion ggf. herausgelöst, mit einer auf die zugewiesene Funktion optimierten Beschaffenheit auszugestalten. In the most general form of the invention, the structure of the pump housing does not follow a common design approach which provides for an integration of elements to achieve a smaller number of components and seals. Instead, the structure of the pump housing follows an approach of assigning a function to individual elements or sections of the housing and, if necessary, removing them from a conventional design and designing them with a quality optimized for the assigned function.
Ferner besteht im Hinblick auf eine thermische Optimierung einer Gehäusekonstruktion für elektrische Antriebskomponenten die allgemeine Erkenntnis, dass eine verbesserte Wärmeableitung aus dem elektrischen Antrieb durch eine möglichst gute spezifische Wärmeleitfähigkeit (λ = m/K) eines Gehäusematerials erzielbar ist. Diese Eigenschaft ist beispielsweise anhand von Kühlkörpern aus Aluminium bekannt. Nach dieser allgemeinen Erkenntnis genügt es, tragende Elemente massiv, d.h. insbesondere ohne isolierende Hohlräume auszubilden und aus Aluminium oder einer Aluminiumdruckgusslegierung zu fertigen. Furthermore, with regard to thermal optimization of a housing construction for electrical drive components, there is the general knowledge that improved heat dissipation from the electrical drive can be achieved through the best possible specific thermal conductivity (λ = m / K) of a housing material. This property is known, for example, from aluminum heat sinks. According to this general knowledge, it is sufficient to design solid load-bearing elements, i.e. in particular without insulating cavities, and to manufacture them from aluminum or an aluminum die-cast alloy.
In dem Fall eines Förderstroms, der in der Regel einen sehr großen Massestrom mit einer hohen Wärmespeicherungszahl s [kJ/m3 K] zur Wärmeabfuhr sowie eine Konvektion zur Wärmeaufnahme an einer Grenzfläche bereitstellt, kommen jedoch weitere Faktoren zum Tragen. In the case of a delivery flow, which usually provides a very large mass flow with a high heat storage number s [kJ / m 3 K] for heat removal and convection for heat absorption at an interface, further factors come into play.
Der Erfindung liegt abweichend hierzu die Erkenntnis zugrunde, dass eine verbesserte dynamische Wärmeableitung bei Betriebszuständen von zunehmender elektrischer Leistung insbesondere durch einen geringeren thermischen Widerstand in einer Wärmeleitungsstrecke zwischen der Wärmequelle und dem Förderstrom in einem Gehäuse erzielbar ist. Ein solcher thermischer Widerstand hängt nicht nur von einer spezifischen Wärmeleitfähigkeit des Materials ab, sondern auch von einer flächenbezogenen Wärmespeicherkapazität (χ = c/A) des Gehäuses, die sich auf eine spezifische Wärmespeicherkapazität c [kJ/kg K] der Gehäusemasse innerhalb einer Wärmeleitungsstrecke bezogen auf eine Querschnittsfläche A eines Wärmestroms bezieht. Solange eine ausreichende Wärmeaufhahme und Wärmeabfuhr in Form des Massestroms auf einer Seite bereitgestellt ist, stellen Wärmespeicherkapazitäten des Gehäuses innerhalb der Wärmeleitungsstrecke eine Trägheit als Komponente des thermischen Widerstands, d.h. eine verzögernde Zwischenspeicherung in einem dynamischen Wärmestrom dar. In contrast to this, the invention is based on the knowledge that improved dynamic heat dissipation can be achieved in operating states of increasing electrical power, in particular through a lower thermal resistance in a heat conduction path between the heat source and the conveying flow in a housing. Such thermal resistance does not only depend on one specific thermal conductivity of the material, but also on an area-related heat storage capacity (χ = c / A) of the housing, which relates to a specific heat storage capacity c [kJ / kg K] of the housing mass within a heat conduction path based on a cross-sectional area A of a heat flow. As long as sufficient heat absorption and heat dissipation is provided in the form of the mass flow on one side, heat storage capacities of the housing within the heat conduction path represent inertia as a component of the thermal resistance, i.e. delaying intermediate storage in a dynamic heat flow.
Gehäuse werden in der Regel als Gussteile hergestellt, deren komplexe Formgebung verschiedene Elemente und Punkte zur Abgrenzung, Aufnahme, Befestigung usw. in einem integralen Körper verbindet. In Bezug auf Pumpen können hierdurch Bauteile und Dichtungsstellen eingespart werden. Gehäusewände, die zur Abgrenzung eines flüssigkeitsführenden Bereichs einer Pumpe dienen und einen Durchbruch für eine Welle aufweisen, sind aufgrund der gießtechnischen Fertigung stets massiv ausgeführt und weisen funktionale Formabschnitte zur Befestigung oder Aufnahme einer Dichtung oder eines Lagers oder einer sonstigen tragenden Funktion auf. Ferner bestehen diese Gehäusewände herkömmlicherweise aus demselben Material wie umliegende Gehäusewände mit einer anderen Funktion. Housings are usually manufactured as cast parts, the complex shape of which combines various elements and points for delimitation, accommodation, fastening, etc. in an integral body. With regard to pumps, this saves components and sealing points. Housing walls, which are used to delimit a liquid-carrying area of a pump and have a breakthrough for a shaft, are always made solid due to the casting technology and have functional shaped sections for fastening or receiving a seal or a bearing or other supporting function. Furthermore, these housing walls are conventionally made of the same material as surrounding housing walls with a different function.
Erfindungsgemäß ist das Gehäuse in separate Abschnitte aufgeteilt. Das Antriebsgehäuse übernimmt die tragenden Funktionen zur Aufnahme des Elektromotors und zur Fixierung der Welle. Die separat ausgebildete Wärmeableitwand übernimmt die Funktion einer Abgrenzung zwischen dem flüssigkeitsführenden Bereich im Pumpengehäuse und dem Antriebsgehäuse. Dadurch liegt zwar ein Bauteil vor, das eine zusätzliche Abdichtung um einen W ellendurchbruch herum erfordert. Allerdings ist es dadurch möglich, die Wärmeableitwand einer gießtechnischen Fertigung zu entziehen und mit eigenen Eigenschaften auszustatten. Erfindungsgemäß ist eine abweichende Beschaffenheit der Wärmeableitwand im Unterschied zu den übrigen angrenzenden Gehäuseabschnitten dahingehend ausgelegt, dass sie eine geringere flächenspezifische Wärmspeicherkapazität (χ = c/A) aufweist. Die herabgesetzte Wärmespeicherkapazität gewährleistet einer Wärmequelle, die mit der Wärmeableitwand in einem thermischen Kontakt steht, eine schnellere Wärmeableitung. According to the invention, the housing is divided into separate sections. The drive housing takes on the load-bearing functions for accommodating the electric motor and for fixing the shaft. The separately designed heat dissipation wall takes on the function of a delimitation between the liquid-carrying area in the pump housing and the drive housing. As a result, there is indeed a component that requires an additional seal around a shaft breakthrough. However, this makes it possible to withdraw the heat dissipation wall from a casting process and to equip it with its own properties. According to the invention, a different nature of the heat dissipation wall in contrast to the other adjacent housing sections is designed in such a way that it has a lower area-specific heat storage capacity (χ = c / A). The reduced heat storage capacity ensures a heat source that is in thermal contact with the heat dissipation wall, a faster heat dissipation.
Die Erfindung sieht ferner vor, als Wärmequelle seitens des elektrischen Antriebs die Leistungselektronik für einen bürstenlosen Elektromotor, die F eldeffekttransistoren und Kondensatoren mit einer hohen Leistungsaufnahme umfasst, mit der Wärmeableitwand in einen thermischen Kontakt zu setzen. Somit wird eine schnellere Wärmeableitung von dynamischen Wärmeströmen aus Verlustleistung der Leistungselektronik bereitgestellt, sodass bei ansteigenden Belastungszuständen eine Abwärme weniger seitens des Gehäuses zwischengespeichert, sondern vielmehr eine möglichst unmittelbare Wärmeaufhahme und Wärmeabfuhr durch den Förderstrom erfolgen kann. The invention also provides, as a heat source on the part of the electric drive, to put the power electronics for a brushless electric motor, which includes field effect transistors and capacitors with a high power consumption, in thermal contact with the heat dissipation wall. This provides faster heat dissipation of dynamic heat flows from the power dissipation of the power electronics, so that with increasing load conditions, waste heat is less temporarily stored on the part of the housing, but rather heat can be absorbed and dissipated as directly as possible through the conveying flow.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche. Advantageous further developments of the invention are the subject of the dependent claims.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann die Wärmeableitwand eine geringere Wandstärke als der Lageraufnahmeabschnitt, der Spiralgehäuseabschnitt und die Flanschabschnitte aufweisen. Eine geringere Wandstärke ist der einfachste Weg, um eine Länge der Wärmeableitungsstrecke zu verkürzen, d.h. eine flächenbezogene Masse und somit auch eine flächenbezogene Wärmespeicherkapazität der Wärmeableitwand innerhalb einer Wärmeleitungsstrecke zu verringern. According to one aspect of the invention, the heat dissipating wall can have a smaller wall thickness than the bearing receiving section, the spiral housing section and the flange sections. A smaller wall thickness is the easiest way to shorten the length of the heat dissipation section, i.e. to reduce the area-related mass and thus also the area-related heat storage capacity of the heat dissipation wall within a heat conduction section.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann die Wärmeableitwand als ein Metallblech mit einer Wandstärke von 0,2 bis 1,5 mm ausgebildet sein. Nach den herkömmlichen Erwartungen an die Konstruktion einer Gehäusewand zur Abgrenzung einer Druckseite einer Pumpe über einen gesamten Querschnitts eines Pumpengehäuses wäre ein derart dünnes Metallblech ungeeignet, insbesondere in dem vorliegenden Fall einer ebenen Erstreckung ohne versteifende Strukturen. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Antriebsgehäuses, an dem ein Flanschabschnitt und ein darin zentral angeordneter Lageraufnahmeabschnitt mit tragender Funktion ausgebildet sind, ermöglicht erst konstruktiv den Einsatz eines derart dünn ausgeführten Metallblechs. Die dünne Ausführung der Wandstärke erweitert eine geeignete Materialauswahl auch auf Metalle, die eine geringere spezifische Wärmeleitfähigkeit als Aluminium aufweisen. So kann beispielsweise anstelle eines Aluminiumbleches auch ein rostfreies oder gegen Korrosion geschütztes Stahlblech eingesetzt werden, welches aufgrund der geringen Wandstärke noch immer eine geringere flächenbezogene Wärmespeicherkapazität aufweist als eine vergleichsweise massive Gehäusewand aus einer Aluminiumgusslegierung oder als ein gefrästes Aluminiumteil. According to one aspect of the invention, the heat dissipation wall can be designed as a metal sheet with a wall thickness of 0.2 to 1.5 mm. According to the conventional expectations of the construction of a housing wall to delimit a pressure side of a pump over an entire cross section of a pump housing, such a thin metal sheet would be unsuitable, especially in the present case of a flat extension without stiffening structures. The design of the drive housing according to the invention, on which a flange section and a bearing receiving section arranged centrally therein with a load-bearing function are formed, only enables the use of such a thin metal sheet from a structural point of view. The thin one Execution of the wall thickness extends a suitable choice of materials to metals that have a lower specific thermal conductivity than aluminum. For example, instead of an aluminum sheet, a stainless steel sheet or steel sheet that is protected against corrosion can be used, which due to the small wall thickness still has a lower area-related heat storage capacity than a comparatively solid housing wall made of a cast aluminum alloy or as a milled aluminum part.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann sich die Wärmcablcitwand in einem axialen Bereich zwischen dem Flanschabschnitt des Pumpengehäuses und dem Flanschabschnitt des Antriebsgehäuses im Wesentlichen eben erstrecken. Eine ebene Erstreckung ohne versteifende Strukturen wird durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Antriebsgehäuses, an dem ein Flanschabschnitt und ein darin zentral angeordneter Lageraufhahmeabschnitt mit tragender Funktion ausgebildet sind, konstruktiv ermöglicht. Eine ebene Wärmeableitwand enthält keine Strömungshindemisse seitens des Spiralgehäuses sowie der rückwärtigen Pumpenkammer hinter dem Pumpenlauffad. According to one aspect of the invention, the heat cablcit wall can extend essentially flat in an axial region between the flange section of the pump housing and the flange section of the drive housing. A planar extension without stiffening structures is structurally made possible by the design of the drive housing according to the invention, on which a flange section and a bearing receiving section with a load-bearing function arranged centrally therein are formed. A flat heat dissipation wall does not contain any flow obstacles on the part of the volute casing or the rear pump chamber behind the pump impeller.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann die Wärmeableitwand in einer Flanschebene zwischen dem Flanschabschnitt des Pumpengehäuses und dem Flanschabschnitt des Antriebsgehäuses fixiert sein. Durch diese Ausgestaltung wird eine außenliegende Fixierung und Abdichtung der Wärmeableitwand durch Nutzung bestehender Befestigungsstrukturen konstruktiv vereinfacht. According to one aspect of the invention, the heat dissipating wall can be fixed in a flange plane between the flange section of the pump housing and the flange section of the drive housing. With this configuration, an external fixing and sealing of the heat dissipating wall is structurally simplified by using existing fastening structures.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann die Wärmeableitwand mit einer Fläche einer Rückseite einer Leiterplatte der Leistungselektronik in einem direkten thermischen Kontakt stehen. Diese Ausgestaltung stellt eine flächenoptimierte thermische Anbindung der Leistungselektronik dar. Hierzu kann beispielsweise Wärmleitpaste zur Unterstützung eines vollflächigen Kontakts bei der Montage aufgebracht werden. According to one aspect of the invention, the heat dissipation wall can be in direct thermal contact with a surface of a rear side of a circuit board of the power electronics. This configuration represents an area-optimized thermal connection of the power electronics. For this purpose, for example, thermal paste can be applied to support full-area contact during assembly.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann an einer Rückseite einer Leiterplatte wenigstens eine metallisierte Fläche angeordnet sein, durch die ein thermischer Kontakt zwischen der Wärmeableitwand und der Rückseite der Leiterplatte bereitgestellt ist. Diese Ausgestaltung stellt seitens der Leistungselektronik ein Mittel mit optimierter Wärmeleitfähigkeit zur thermischen Anbindung der Leiterplatte dar. Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann in einer Leiterplatte derAccording to one aspect of the invention, at least one metallized surface through which a thermal contact can be arranged on a rear side of a printed circuit board is provided between the heat dissipation wall and the back of the circuit board. On the part of the power electronics, this embodiment represents a means with optimized thermal conductivity for the thermal connection of the printed circuit board. According to one aspect of the invention, the
Leistungselektronik wenigstens eine metallisierte Bohrung angeordnet sein, die sich von einer Rückseite durch die Leiterplatte zu einer Bestückungsseite erstreckt, wodurch über die wenigstens eine metallisierte Bohrung ein thermischer Kontakt zwischen der Wärmeableitwand und einem elektrischen Bauteil der Lcistungsclcktronik bcrcitgcstcllt ist. Diese Ausgestaltung stellt seitens der Leistungselektronik ein Mittel mit optimierter Wärmeleitfähigkeit dar, durch das eine thermische Anbindung eines Transistors, eines Kondensators, o.ä. auf der Bestückungsseite der Leiterplatte, die der Wärmeableitwand gegenüberliegt, hergestellt wird. Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann in einer Leiterplatte derPower electronics, at least one metallized hole can be arranged, which extends from a rear side through the printed circuit board to a component side, whereby a thermal contact between the heat dissipation wall and an electrical component of the power electronics is established via the at least one metallized hole. On the part of the power electronics, this embodiment represents a means with optimized thermal conductivity, by means of which a thermal connection of a transistor, a capacitor, or the like is established on the component side of the printed circuit board that is opposite the heat dissipation wall. According to one aspect of the invention, in a printed circuit board
Leistungselektronik wenigstens eine Öffnung angeordnet sein, und sich ein metallisches Bauteil von einer Rückseite durch die Öffnung zu einer Bestückungsseite der Leiterplatte erstrecken, wodurch über das metallische Bauteil ein thermischer Kontakt zwischen der Wärmeableitwand und einem elektrischen Bauteil der Leistungselektronik bereitgestellt ist. Diese Ausgestaltung stellt ein Mittel mit optimierter Wärmeleitfähigkeit dar, durch das eine thermische Anbindung eines Transistors, eines Kondensators, o.ä. auf der Bestückungsseite der Leiterplatte, die der Wärmeableitwand gegenüberliegt, hergestellt wird. Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann die Wärmeableitwand ausgeprägtePower electronics can be arranged at least one opening, and a metallic component extend from a rear side through the opening to a component side of the circuit board, whereby a thermal contact is provided between the heat dissipation wall and an electrical component of the power electronics via the metallic component. This embodiment represents a means with optimized thermal conductivity, by means of which a thermal connection of a transistor, a capacitor, or the like is established on the component side of the printed circuit board that is opposite the heat dissipation wall. According to one aspect of the invention, the heat dissipation wall can be pronounced
Abschnitte aufweisen, die mit einer Rückseite einer Leiterplatte der Leistungselektronik in einem thermischen Kontakt stehen. Diese Variante sieht erstmals seitens der Wärmeableitwand Ausgestaltungen derselben vor, die abschnittsweise, z.B. in Bereichen von Transistors, eines Kondensators, o.ä. eine direkte thermische Anbindung der Leiterplatte an die Wärmeableitwand herstellen. Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann die Wärmeableitwand einen ausgeprägten Abschnitt aufweisen und in einer Leiterplatte der Leistungselektronik eine Öffnung angeordnet sein, wobei sich der ausgeprägte Abschnitt von einer Rückseite der Leiterplatte durch die Öffnung zu einer Bestückungsseite der Leiterplatte hindurch erstreckt, wodurch ein direkter thermischer Kontakt zwischen der Wärmeableitwand und einem elektrischen Bauteil der Leistungselektronik bereitgestellt ist. Diese bevorzugte Variante sieht erstmals seitens der Wärmeableitwand eine Ausgestaltung derselben vor, die durch die Leiterplatte hindurch greift, und somit eine direkte thermische Anbindung eines Transistors, eines Kondensators, o.ä. an die Wärmeableitwand hcrstcllt. Have sections that are in thermal contact with a rear side of a circuit board of the power electronics. This variant provides for the first time on the part of the heat dissipation wall designs of the same, which in sections, for example in areas of transistors, a capacitor, or the like, establish a direct thermal connection of the circuit board to the heat dissipation wall. According to one aspect of the invention, the heat dissipation wall can have a pronounced section and an opening can be arranged in a circuit board of the power electronics, the pronounced section extending from a rear side of the circuit board through the opening to a component side of the circuit board, whereby a direct thermal contact between the heat dissipation wall and an electrical component of the power electronics is provided. This preferred variant provides, for the first time, a configuration of the heat dissipation wall that extends through the printed circuit board and thus creates a direct thermal connection of a transistor, capacitor, or the like to the heat dissipation wall.
Nachfolgend wird eine Ausfuhrungsform der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen: An embodiment of the invention is explained in more detail below with reference to the drawing. In the drawing show:
Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Aufbau einer elektrischen Kühlmittelpumpe gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; 1 shows a cross section through a structure of an electric coolant pump according to an embodiment of the invention;
Fig. 2 eine perspektivische Draufsicht auf die Wärmeableitwand in einem Montagezustand der elektrischen Kühlmittelpumpe gemäß der Ausführungsform der Erfindung; 2 shows a perspective top view of the heat dissipating wall in an assembled state of the electric coolant pump according to the embodiment of the invention;
Fig. 3 eine perspektivische Draufsicht auf die Leiterplatte in einem Montagezustand der elektrischen Kühlmittelpumpe gemäß der Ausfuhrungsform der3 shows a perspective top view of the printed circuit board in an assembled state of the electric coolant pump according to the embodiment of FIG
Erfindung; und Fig. 4 eine perspektivische Draufsicht in das Antriebsgehäuse mit einem montierten Elektromotor der elektrischen Kühlmittelpumpe gemäß der Ausführungsform der Erfindung. Invention; and FIG. 4 shows a perspective top view into the drive housing with a mounted electric motor of the electric coolant pump according to the embodiment of the invention.
Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch den Aufbau einer elektrischen Kühlmittelpumpe gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Der in Fig. 1 gezeigte Aufbau der elektrischen Kühlmittelpumpe ist im Wesentlichen in eine Pumpenbaugruppe und eine Antriebsbaugruppe aufgeteilt, die in einer Flanschebene verbunden sind. Auf der rechts dargestellten Seite ist ein Pumpengehäuse 1 angeordnet, das als ein Gussformteil gefertigt ist und mehrere Abschnitte integral umfasst. So umfasst das Pumpengehäuse 1 eine Pumpenkammer 10, in der ein Pumpenlaufrad 4 drehbar aufgenommen ist, und einen Spiralgehäuseabschnitt 14, der die Pumpenkammer 10 zu einem radialen Austrittsbereich des Pumpenlaufrads 4 umgibt. Der Spiralgehäuseabschnitt 14 bildet einen Kanal, der einen radial beschleunigten Förderstrom zu einem, in dem dargestellten Querschnitt nicht sichtbaren Auslass führt. Ein Einlass 11 des Pumpengehäuses 1 ist als ein Stutzen ausgebildet, der den Förder ström zentral auf das Pumpcnlaufrad 4 zuführt. Das Pumpengehäuse 1 weist zu einer Rückseite der Pumpenkammer 10 und des Spiralgehäuses 14, d.h. in Strömungsrichtung hinter dem1 shows a cross section through the structure of an electric coolant pump according to an embodiment of the invention. The structure of the electric coolant pump shown in FIG. 1 is essentially divided into a pump assembly and a drive assembly, which are connected in a flange plane. on the side shown on the right is arranged a pump housing 1 which is manufactured as a molded part and integrally comprises a plurality of sections. The pump housing 1 thus comprises a pump chamber 10 in which a pump impeller 4 is rotatably received, and a spiral housing section 14 which surrounds the pump chamber 10 to a radial outlet area of the pump impeller 4. The spiral housing section 14 forms a channel which leads a radially accelerated delivery flow to an outlet which is not visible in the cross section shown. An inlet 11 of the pump housing 1 is designed as a connecting piece which feeds the delivery centrally to the pump impeller 4. The pump housing 1 points to a rear side of the pump chamber 10 and the spiral housing 14, that is to say in the direction of flow behind the
Pumpenlaufrad 4, eine offene Seite auf, die über einen gesamten Querschnitt eines fluidführenden Bereichs geöffnet ist. Eine geöffnete Querschnittsfläche an der offenen Seite des Pumpengehäuses 1 ist von einem Flanschabschnitt 12 umgeben. Der Flanschabschnitt 12 dient zur gegenseitigen Befestigung der Pumpenbaugruppe und der Antriebsbaugruppe und weist entsprechende Mittel, wie Bohrungen und Gewinde für eine lösbare Schraubverbindung auf. Pump impeller 4, an open side, which is open over an entire cross section of a fluid-carrying area. An open cross-sectional area on the open side of the pump housing 1 is surrounded by a flange section 12. The flange section 12 is used for the mutual fastening of the pump assembly and the drive assembly and has corresponding means, such as bores and threads for a detachable screw connection.
Auf der links dargestellten Seite ist ein Antriebsgehäuse 2 angeordnet. Das Antriebsgehäuse 2 umfasst eine Gehäusewand 23, die einen Elektromotor 3 umschließt. Hierzu ist in der Gehäusewand 23 eine Aufnahme für einen Stator des Elektromotors 3 ausgebildet. Der Elektromotor 3 ist durch eine offene Rückseite des Antriebsgehäuses 2 axial eingeführt. Die offene Rückseite ist durch einen Motordeckel 7 verschlossen. Der Motordeckel 7 ist aus einem Metallblech hergestellt und ist mittels Umformung eines Bördelrands fixiert, der in einen Hinterschnitt eingreift, der an einer Außenseite der Gehäusewand 23 umlaufend ausgebildet ist. Zwischen dem Motordeckel 7 und einer axialen Endfläche der Gehäusewand 23 ist eine Dichtung 72 angeordnet. A drive housing 2 is arranged on the side shown on the left. The drive housing 2 comprises a housing wall 23 which encloses an electric motor 3. For this purpose, a receptacle for a stator of the electric motor 3 is formed in the housing wall 23. The electric motor 3 is inserted axially through an open rear side of the drive housing 2. The open rear side is closed by a motor cover 7. The motor cover 7 is made from sheet metal and is fixed by deforming a beaded edge which engages in an undercut which is formed circumferentially on an outer side of the housing wall 23. A seal 72 is arranged between the motor cover 7 and an axial end face of the housing wall 23.
In dem Antriebsgehäuse 2 ist ein zentraler Lageraufnahmeabschnitt 25 bereitgestellt, der über radiale Gehäusestege 22 mit der äußeren Gehäusewand 23 verbunden ist. In dem zentralen Lageraufhahmeabschnitt 25 ist ein Wellenlager 52 eingepresst, das zumindest zur radialen Lagerung einer Welle 5 dient und als Wälzlager, als Gleitlager oder gleichen ausgeführt ist. Das Wellenlager 52 ist mit einer nicht dargestellten Anordnung von Wellendichtungen zwischen dem Lageraufnahmeabschnitt 25 und einem Umfang der Welle 5 flüssigkeitsdicht abgedichtet. Auf einem Abschnitt der Welle 5, der zu dem Pumpengehäuse 1 gerichtet ist, ist das Pumpenlauffad 4 drehfest fixiert. Auf einem Abschnitt der Welle 5, der zu dem Motordeckel 7 gerichtet ist, ist ein Rotor des Elektromotors 3 drehfest fixiert. A central bearing receiving section 25 is provided in the drive housing 2 and is connected to the outer housing wall 23 via radial housing webs 22. In the central bearing receiving section 25, a shaft bearing 52 is pressed in, which serves at least for the radial mounting of a shaft 5 and is designed as a roller bearing, a slide bearing or the like. The shaft bearing 52 is not with one illustrated arrangement of shaft seals between the bearing receiving portion 25 and a circumference of the shaft 5 sealed in a liquid-tight manner. The pump impeller 4 is fixed in a rotationally fixed manner on a section of the shaft 5 which is directed towards the pump housing 1. A rotor of the electric motor 3 is fixed in a rotationally fixed manner on a section of the shaft 5 which is directed towards the motor cover 7.
Das Antriebsgehäuse 2 weist zu dem Pumpengehäuse 1 hin eine offene Seite auf, deren geöffneter Querschnitt sich um den Lageraufnahmeabschnitt 25 herum im Wesentlichen radial zu der Gehäusewand 23 erstreckt. Außerhalb des geöffneten Querschnitts umfasst das Antriebsgehäuse 2 einen Flanschabschnitt 21. Der Flanschabschnitt 21 dient zur gegenseitigen Befestigung der Pumpenbaugruppe und der Antriebsbaugruppe und weist entsprechende Mittel wie Bohrungen für eine lösbare Schraubverbindung auf. Das Antriebsgehäuse 2 ist als Gussformteil hergestellt, das den Flanschabschnitt 21, die Gehäusewand 23, die radialen Gehäusestege 22 und den Lageraufnahmeabschnitt 25 integral ausgebildet umfasst. The drive housing 2 has an open side towards the pump housing 1, the open cross section of which extends around the bearing receiving section 25 essentially radially to the housing wall 23. Outside the open cross-section, the drive housing 2 comprises a flange section 21. The flange section 21 serves to fasten the pump assembly and the drive assembly to one another and has corresponding means such as bores for a detachable screw connection. The drive housing 2 is produced as a molded part, which comprises the flange section 21, the housing wall 23, the radial housing webs 22 and the bearing receiving section 25 in an integral manner.
In dem geöffneten Querschnitt der offenen Seite des Antriebsgehäuses 2 ist eine Leistungselektronik 30 mit einer Leiterplatte angeordnet. Die Leistungselektronik 30 dient zur Ansteuerung von Feldspulen des Elektromotors 3 aus einer elektrischen Leistungszufuhr. Der Elektromotor 3 ist ein bürstenloser Gleichstrommotor mit einem außenliegenden Stator und einem innenliegenden, permanenterregten Rotor. Zur Bereitstellung der elektrischen Leistungszufuhr ist ein Anschlussstecker 35 im Bereich des Flanschabschnitts 21 an dem Antriebsgehäuse 2 angeordnet, der mit der Leistungselektronik 30 elektrisch verbunden ist. Auf einer Bestückungsseite der Leiterplatte, die dem Elektromotor 3 zugewandt ist, sind nicht weiter dargestellte elektrische Bauelemente angeordnet. Insbesondere sind in einem radialen Bereich, der sich mit dem Spiralgehäuseabschnitt 14 überdeckt, solche elektrischen Bauelemente angeordnet, die einen hohen elektrischen Leistungsdurchsatz haben und eine entsprechend hohe Abwärme erzeugen, wie z.B. Transistoren oder Kondensatoren. Power electronics 30 with a printed circuit board are arranged in the open cross section of the open side of the drive housing 2. The power electronics 30 are used to control field coils of the electric motor 3 from an electrical power supply. The electric motor 3 is a brushless direct current motor with an external stator and an internal, permanently excited rotor. To provide the electrical power supply, a connector 35 is arranged in the region of the flange section 21 on the drive housing 2, which is electrically connected to the power electronics 30. On a component side of the circuit board that faces the electric motor 3, electrical components (not shown) are arranged. In particular, in a radial area that overlaps with the spiral housing section 14, such electrical components are arranged which have a high electrical power throughput and generate a correspondingly high amount of waste heat, such as transistors or capacitors, for example.
Zur Kühlung der elektrischen Bauelemente steht eine dem Pumpengehäuse 1 zugewandte Rückseite der Leiterplatte der Leistungselektronik 30 mit einer Wärmeableitwand 6 in Verbindung. Die Wärmeableitwand 6 ist durch ein Metallblech bereitgestellt, das sich durch die Flanschebene zwischen dem Pumpengehäuse 1 und dem Antriebsgehäuse 2 erstreckt. Die Wärmeableitwand 6 grenzt den geöffneten Querschnitt der offenen Seite des Antriebsgehäuses 2 von dem fluidführenden, geöffneten Querschnitt der Pumpenkammer 10 und des Spiralgehäuseabschnitts 14 in der offenen Seite des Pumpengehäuses 1 ab. Somit ist eine trockene Kammer für die elektrischen Antriebskomponenten in dem Antriebsgehäuse 2 sichergestellt. Hierzu weist die Wärmeableitwand 6 eine Bohrung für einen Durchtritt der Welle 5 auf. Die Bohrung umschließt einen Außenumfang des Lageraufhahmeabschnitts 25. To cool the electrical components, a rear side of the printed circuit board of the power electronics 30 facing the pump housing 1 is provided with a Heat dissipation wall 6 in connection. The heat dissipation wall 6 is provided by a metal sheet which extends through the flange plane between the pump housing 1 and the drive housing 2. The heat dissipation wall 6 delimits the open cross section of the open side of the drive housing 2 from the fluid-conducting, open cross section of the pump chamber 10 and of the spiral housing section 14 in the open side of the pump housing 1. A dry chamber for the electrical drive components in the drive housing 2 is thus ensured. For this purpose, the heat dissipation wall 6 has a bore for the shaft 5 to pass through. The bore encloses an outer circumference of the bearing receiving section 25.
Der Lageraufnahmeabschnitt 25 umfasst ferner einen Kragen 26, der das dünne Metallblech der Wärmeableitwand 6 gegen einen Förderdruck in dem fluidführenden Bereich der Pumpenbaugruppe abstützt. In dem Kragen 26 ist eine Ringnut eingearbeitet, in der eine Dichtung 65 zur Abdichtung zwischen dem Lageraufnahmeabschnitt 25 und der Wärmeableitwand 6 angeordnet ist. Auch in dem Flanschabschnitt 21 ist eine Nut eingearbeitet, in der eine Dichtung 62 zur Abdichtung zwischen dem Flanschabschnitt 21 und der Wärmeableitwand 6 angeordnet ist. Ebenso ist in dem Flanschabschnitt 12 des Pumpengehäuses 1 eine Nut eingearbeitet, in der eine Dichtung 61 zur Abdichtung des Flanschabschnitts 12 zu der Wärmeableitwand 6 angeordnet ist. The bearing receiving section 25 further comprises a collar 26 which supports the thin metal sheet of the heat dissipating wall 6 against a delivery pressure in the fluid-carrying region of the pump assembly. An annular groove is worked into the collar 26, in which a seal 65 for sealing between the bearing receiving section 25 and the heat dissipating wall 6 is arranged. A groove is also worked into the flange section 21, in which a seal 62 for sealing between the flange section 21 and the heat dissipating wall 6 is arranged. Likewise, a groove is worked into the flange section 12 of the pump housing 1, in which a seal 61 for sealing the flange section 12 to the heat dissipating wall 6 is arranged.
An einem Außenrand weist die Wärmeableitwand 6 Umformungsabschnitte 60 auf, die nach einer Umformung den Flanschabschnitt 21 umgreifen und somit eine formschlüssige Fügeverbindung zur eigenständigen Fixierung der Wärmeableitwand 6 an dem Antriebsgehäuse 2 ermöglichen. Die Wärmeableitwand 6 erstreckt sich insbesondere in dem flüssigkeitsführenden Bereich des Pumpengehäuses 1 im Wesentlichen flach in der Flanschebene, um Strömungshindemisse in dem Förderstrom zu vermeiden. Im Bereich des Flanschabschnitts 12 des Pumpengehäuses 1 ist in der Wärmeableitwand 6 eine Ausformung 63 ausgebildet, um Raum für Positionierungsmittel und Kontaktierungsmittel zwischen der Leistungselektronik 30 und dem Anschlussstecker 35 sowie für eine optionale rückseitige Bestückung der Leiterplatte, beispielsweise bei einer Betriebsspannung von 48 V, zu schaffen. Hierzu kann die sickenformige Ausformung 63 auch größer bzw. breiter ausgeführt werden, als dargestellt. Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf die Wärmeableitwand 6 aus einer Richtung des Pumpengehäuses 1. Die Wärmeableitwand 6 ist als ein Blechstanzteil hergestellt, das im Wesentlichen einer Außenkontur des Flanschabschnitts 21 des Antriebsgehäuses 2 entspricht, um die offene Seite in der Flanschebene abzuschließen. On an outer edge, the heat dissipation wall 6 has deformation sections 60 which, after deformation, encompass the flange section 21 and thus enable a form-fitting joint connection for independent fixation of the heat dissipation wall 6 on the drive housing 2. The heat dissipation wall 6 extends, in particular in the liquid-carrying region of the pump housing 1, essentially flat in the flange plane in order to avoid flow obstacles in the delivery flow. In the area of the flange section 12 of the pump housing 1, a recess 63 is formed in the heat dissipation wall 6 to provide space for positioning means and contacting means between the power electronics 30 and the connector 35 and for an optional rear-side assembly of the circuit board, for example with an operating voltage of 48 V create. For this purpose, the bead-like formation 63 can also be made larger or wider than shown. 2 shows a top view of the heat dissipation wall 6 from one direction of the pump housing 1. The heat dissipation wall 6 is produced as a stamped sheet metal part which essentially corresponds to an outer contour of the flange section 21 of the drive housing 2 in order to close off the open side in the flange plane.
Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf die Rückseite der Leiterplatte der Leistungselektronik 30, die sich in dieser Perspektive unterhalb der Wärmeableitwand 6 aus Fig. 2 in einer Aufnahme des Antriebsgehäuses 2 befindet. FIG. 3 shows a plan view of the rear side of the printed circuit board of the power electronics 30, which in this perspective is located below the heat dissipating wall 6 from FIG. 2 in a receptacle in the drive housing 2.
Fig. 4 ist eine Draufsicht auf die offene Seite des Antriebsgehäuses 2 sowie dem geöffneten Querschnitt, der durch die Wärmeableitwand 6 abgegrenzt und durch die Dichtung 62 abgedichtet wird. Zwischen den radialen Gehäusestegen 22 sind axiale Steckverbindungen für eine gegenseitige Ausrichtung und elektrische Kontaktierung zwischen dem Elektromotor 3 und der Leistungselektronik 30 vorgesehen. Ebenso sind an einer Fassung des Anschlusssteckers 35 und in einer Mehrfachsteckverbindung Positionierungsmittel für eine Ausrichtung und eine elektrische Kontaktierung der Leistungselektronik 30 vorgesehen. 4 is a plan view of the open side of the drive housing 2 and the opened cross section, which is delimited by the heat dissipating wall 6 and sealed by the seal 62. Axial plug connections for mutual alignment and electrical contacting between the electric motor 3 and the power electronics 30 are provided between the radial housing webs 22. Positioning means for alignment and electrical contacting of power electronics 30 are also provided on a socket of connector plug 35 and in a multiple plug connection.
Die Wärmeableitwand 6 ist aus einem Metallblech mit einer Wandstärke von ca. 1,0 mm gefertigt. Im Vergleich zu den W andabschnitten der Gussformteile, die das Antriebsgehäuse 2 oder das Pumpengehäuse 1 bilden, weist die Wärmeableitwand 6 eine erheblich geringere flächenbezogene Masse auf. Demzufolge weist die Wärmeableitwand 6, unter Berücksichtigung von thermischen Materialeigenschaften, wie einer spezifischen Wärmeleitfähigkeit von geeigneten Materialien für die Wärmeableitwand 6 und dem Antriebsgehäuse 2 oder dem Pumpengehäuse 1, eine geringere flächenbezogene Wärmespeicherkapazität auf. Darüber hinaus ist eine Wärmeleitstrecke von einer thermischen Kontaktfläche zu der Leiterplatte der Leistungselektronik 30 bis zu einer Grenzfläche des flüssigkeitsführenden Bereichs kürzer. Demzufolge wird eine erfindungsgemäße, verbesserte Wärmeableitung von Abwärme der Leistungselektronik 30 zu dem Förderstrom bereitgestellt, die im Wesentlichen ohne eine Zwischenspeicherung in einem Gehäuseabschnitt abläuft. Nachfolgend werden alternative Ausführungsformen zur Ausgestaltung eines thermischen Kontakts genannt. The heat dissipation wall 6 is made of sheet metal with a wall thickness of approximately 1.0 mm. Compared to the wall sections of the mold parts which form the drive housing 2 or the pump housing 1, the heat dissipation wall 6 has a considerably lower mass per unit area. Accordingly, the heat dissipation wall 6, taking into account thermal material properties, such as a specific thermal conductivity of suitable materials for the heat dissipation wall 6 and the drive housing 2 or the pump housing 1, has a lower area-related heat storage capacity. In addition, a heat conduction path from a thermal contact surface to the printed circuit board of the power electronics 30 to an interface of the liquid-carrying area is shorter. Accordingly, an improved heat dissipation according to the invention of waste heat from the power electronics 30 to the conveying flow is provided, which takes place essentially without intermediate storage in a housing section. Alternative embodiments for the configuration of a thermal contact are mentioned below.
In der dargestellten Ausführungsform der Erfindung stehen die Leiterplatte der Leistungselektronik 30 und die Wärmeableitwand 6 in einem großflächigen Kontakt, der gegebenenfalls durch Wärmeleitmittel, wie einer Wärmeleitpaste, einem Wärmeleitkleber oder einem Wärmeleitpad zusätzlich sichergestellt sein kann. In the embodiment of the invention shown, the circuit board of the power electronics 30 and the heat dissipation wall 6 are in large-area contact, which can optionally be additionally ensured by heat conducting agents such as a heat conducting paste, a heat conducting adhesive or a heat conducting pad.
In nicht dargestellten Ausführungsformen der Erfindung können ferner weitere Mittel zur Unterstützung einer Wärmeableitung zwischen der Leistungselektronik 30 und der Wärmeableitwand 6, insbesondere in Bezug zu der Bestückungsseite der Leiterplatte bereitgestellt sein. Hierzu sind metallische Verbindungen zwischen der Rückseite der Leiterplatte und der Bestückungsseite der Leiterplatte in der Leistungselektronik 30 angeordnet. Die metallischen Verbindungen können in Form von einer metallisierten Bohrung, metallisierten Flächen an der Leiterplatte, oder metallischen Elementen, die eine Öffnung der Leiterplatte durchgreifen, bereitgestellt sein. Derartige metallische Verbindungen stellen einen thermischen Kontakt von der Wärmeableitwand 6, durch die Leiterplatte hindurch, zu einem elektrischen Bauelement, wie einem Transistor oder einem Kondensator her. In embodiments of the invention that are not shown, further means for supporting heat dissipation between the power electronics 30 and the heat dissipating wall 6, in particular in relation to the component side of the circuit board, can also be provided. For this purpose, metallic connections are arranged between the rear side of the circuit board and the component side of the circuit board in the power electronics 30. The metallic connections can be provided in the form of a metallized bore, metallized surfaces on the printed circuit board, or metallic elements which reach through an opening in the printed circuit board. Such metallic connections establish thermal contact from the heat dissipation wall 6, through the printed circuit board, to an electrical component, such as a transistor or a capacitor.
In einer weiteren, nicht dargestellten Ausführungsform der Erfindung, sind anstelle der metallischen Verbindungen, durch Umformung ausgeprägte Abschnitte in der Wärmeableitwand 6 ausgebildet, die zu der Leiterplatte der Leistungselektronik 30 gerichtet sind. Die umgeformten, ausgeprägten Abschnitte stellen einen thermischen Kontakt zu ausgewählten Bereichen der Leiterplatte her, in denen elektrische Bauteile mit einem hohen elektrischen Leistungsdurchsatz angeordnet sind. In a further embodiment of the invention, not shown, instead of the metallic connections, shaped sections are formed in the heat dissipating wall 6, which are directed towards the printed circuit board of the power electronics 30. The shaped, pronounced sections produce thermal contact to selected areas of the printed circuit board in which electrical components with a high electrical power throughput are arranged.
In einer nicht dargestellten, bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein durch Umformung ausgeprägter Abschnitt in der Wärmeableitwand 6 ausgebildet, der eine Öffnung in der Leiterplatte zu der B estückungsseite hindurch greift. Der umgeformte, ausgeprägte Abschnitt steht mit einem elektrischen Bauelement, wie einem Transistor oder einem Kondensator in Verbindung. In dieser Ausgestaltung wird ein direkter thermischer Kontakt zwischen dem elektrischen Bauelement und der Wärmeableitwand 6 hergestellt, der ohne Materialgrenzen einer dazwischen liegenden metallischen Verbindung auskommt. Somit wird in dem umgeformten Bereich des ausgeprägten Abschnitts eine erfindungsgemäß möglichst unmittelbare Wärmeableitung aus der Leistungselektronik 30 über die kurze Strecke der geringen Wandstärke der Wärmeableitwand 6 zu dem Förderstrom erzielt. In a preferred embodiment of the invention, which is not shown, a section which is marked by deformation is formed in the heat dissipating wall 6, which extends through an opening in the circuit board to the component side. The deformed, stamped portion is associated with an electrical component, such as a Transistor or a capacitor in connection. In this refinement, a direct thermal contact is established between the electrical component and the heat dissipating wall 6, which does not require any material boundaries of an intermediate metallic connection. Thus, according to the invention, the most direct possible heat dissipation from the power electronics 30 over the short distance of the small wall thickness of the heat dissipating wall 6 to the conveying flow is achieved in the deformed area of the pronounced section.
Es versteht sich, dass sämtliche Ausgestaltungen aus verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung untereinander austauschbar sind, d.h. in alternativen Konfigurationen miteinander kombiniert werden können, und solche alternativen Konfi gurationen ebenfalls Teil dieser Offenbarung sind, solange sich eine Kombination nicht widerspricht. Bezugszeichenliste: It goes without saying that all configurations from different embodiments of the present invention are interchangeable, i.e. can be combined with one another in alternative configurations, and such alternative configurations are also part of this disclosure, as long as a combination does not contradict one another. List of reference symbols:
1 Pumpengehäuse 1 pump housing
2 Antriebsgehäuse 2 drive housing
3 Elektromotor 3 electric motor
4 Pumpenlaufrad 5 Welle 4 pump impeller 5 shaft
6 Wärmeableitwand 6 heat sink
7 Motordeckel 7 engine cover
10 Pumpenkammer 10 pump chamber
11 Einlass 12 Flanschabschnitt 11 inlet 12 flange section
14 Spiralgehäuseabschnitt 14 volute casing section
21 Flanschabschnitt 21 flange section
22 Gehäusesteg 22 housing bridge
23 Gehäusewand 25 Lageraufnahmeabschnitt 23 housing wall 25 bearing receiving section
26 Kragen 26 collar
30 Leistungselektronik 35 Anschlussstecker 30 Power electronics 35 Connector plugs
52 Wellenlager 60 Umformungsabschnitt 52 shaft bearing 60 deformation section
61 Dichtung 61 Seal
62 Dichtung 63 Ausformung62 Seal 63 molding
65 Dichtung65 Seal
72 Dichtung 72 seal

Claims

Ansprüche Expectations
1. Elektrische Kühlmittelpumpe, aufweisend: ein Pumpengehäuse (1) mit einem Spiralgehäuseabschnitt (14), der eine Pumpenkammer (10) umgibt und zu einem Auslass fuhrt, sowie mit einem zentralen Einlass (11); wobei das Pumpengehäuse (1) eine offene Seite aufweist, die von einem Flanschabschnitt (12) umgeben ist; einen trockenlaufenden Elektromotor (3), der über eine Welle (5) ein Pumpenlauffad (4) in der Pumpenkammer (10) antreibt; und ein Antriebsgehäuse (2), in dem ein Elektromotor (3) und eine Leistungselektronik (30) aufgenommen sind, und das eine offene Seite aufweist, die von einem Flanschabschnitt (21) umgeben ist; dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebsgehäuse (2) einen zentralen Lageraufnahmeabschnitt (25) aufweist, in dem ein Wellenlager (52) aufgenommen ist; eine zu dem Antriebsgehäuse (2) separate Wärmeableitwand (6) bereitgestellt ist, die den Elektromotor (3) von dem Pumpengehäuse (1) abgrenzt, und in einem thermischen Kontakt mit der Leistungselektronik (30) steht; wobei die Wärmeableitwand (6) zu einer offenen Querschnittsfläche der Pumpenkammer (10) und einer offenen Querschnittsfläche des Spiralgehäuseabschnitts (14) freiliegt; und die Wärmeableitwand (6) eine geringere flächenbezogene Wärmespeicherkapazität als der Lageraufiiahmeabschnitt (25), der Spiralgehäuseabschnitt (14) und die Flanschabschnitte (12, 21) aufweist. 1. An electric coolant pump, comprising: a pump housing (1) with a spiral housing section (14) which surrounds a pump chamber (10) and leads to an outlet, and with a central inlet (11); wherein the pump housing (1) has an open side which is surrounded by a flange portion (12); a dry-running electric motor (3) which drives a pump impeller (4) in the pump chamber (10) via a shaft (5); and a drive housing (2) in which an electric motor (3) and power electronics (30) are accommodated and which has an open side which is surrounded by a flange section (21); characterized in that the drive housing (2) has a central bearing receiving section (25) in which a shaft bearing (52) is received; a heat dissipation wall (6) separate from the drive housing (2) is provided, which separates the electric motor (3) from the pump housing (1) and is in thermal contact with the power electronics (30); wherein the heat dissipation wall (6) is exposed to an open cross-sectional area of the pump chamber (10) and an open cross-sectional area of the volute casing section (14); and the heat dissipation wall (6) has a lower surface-related heat storage capacity than the bearing housing section (25), the spiral housing section (14) and the flange sections (12, 21).
2. Elektrische Kühlmittelpumpe nach Anspruch 1 , wobei die Wärmeableitwand (6) eine geringere Wandstärke als der2. Electric coolant pump according to claim 1, wherein the heat dissipation wall (6) has a smaller wall thickness than that
Lageraufhahmeabschnitt (25), der Spiralgehäuseabschnitt (14) und dieBearing receiving section (25), the spiral housing section (14) and the
Flanschabschnitte (12, 21) aufweist. Has flange sections (12, 21).
3. Elektrische Kühlmittelpumpe nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Wärmeableitwand als ein Metallblech mit einer Wandstärke von 0,5 bis 1 ,5 mm ausgebildet ist. 3. Electric coolant pump according to claim 1 or 2, wherein the heat dissipation wall is designed as a metal sheet with a wall thickness of 0.5 to 1, 5 mm.
4. Elektrische Kühlmittelpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich die Wärmeableitwand (6) in einem axialen Bereich zwischen dem Flanschabschnitt (12) des Pumpengehäuses (1) und dem Flanschabschnitt (21) des Antriebsgehäuses (2) im Wesentlichen eben erstreckt. 4. Electric coolant pump according to one of the preceding claims, wherein the heat dissipation wall (6) extends essentially flat in an axial region between the flange section (12) of the pump housing (1) and the flange section (21) of the drive housing (2).
5. Elektrische Kühlmittelpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wärmeableitwand (6) in einer Flanschebene zwischen dem Flanschabschnitt (12) des Pumpengehäuses (1) und dem Flanschabschnitt (21) des Antriebsgehäuses5. Electric coolant pump according to one of the preceding claims, wherein the heat dissipation wall (6) in a flange plane between the flange section (12) of the pump housing (1) and the flange section (21) of the drive housing
(2) fixiert ist. (2) is fixed.
6. Elektrische Kühlmittelpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Wärmeableitwand (6) mit einer Fläche einer Rückseite einer Leiterplatte der Leistungselektronik (30) in einem direkten thermischen Kontakt steht. 6. Electric coolant pump according to one of claims 1 to 5, wherein the heat dissipation wall (6) is in direct thermal contact with a surface of a rear side of a circuit board of the power electronics (30).
7. Elektrische Kühlmittelpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei an einer Rückseite einer Leiterplatte der Leistungselektronik (30) wenigstens eine metallisierte Fläche angeordnet ist, durch die ein thermischer Kontakt zwischen der Wärmeableitwand (6) und der Rückseite der Leiterplatte bereitgestellt ist. 7. Electric coolant pump according to one of claims 1 to 5, wherein at least one metallized surface is arranged on a rear side of a circuit board of the power electronics (30), through which a thermal contact between the heat dissipation wall (6) and the rear side of the circuit board is provided.
8. Elektrische Kühlmittelpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei in einer Leiterplatte der Leistungselektronik (30) wenigstens eine metallisierte Bohrung angeordnet ist, die sich von einer Rückseite durch die Leiterplatte zu einer Bestückungsseite erstreckt, wodurch über die wenigstens eine metallisierte Bohrung ein thermischer Kontakt zwischen der Wärmeableitwand (6) und einem elektrischen Bauteil der Leistungselektronik (30) bereitgestellt ist. 8. Electric coolant pump according to one of claims 1 to 5, wherein in a circuit board of the power electronics (30) at least one metallized bore is arranged, which extends from a rear side through the circuit board to a component side, whereby a thermal over the at least one metallized bore Contact between the heat dissipation wall (6) and an electrical component of the power electronics (30) is provided.
9. Elektrische Kühlmittelpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei in einer Leiterplatte der Leistungselektronik (30) wenigstens eine Öffnung angeordnet ist, und sich ein metallisches Bauteil von einer Rückseite durch die Öffnung zu einer Bestückungsseite der Leiterplatte erstreckt, wodurch über das metallische Bauteil ein thermischer Kontakt zwischen der Wärmeableitwand (6) und einem elektrischen Bauteil der Leistungselektronik (30) bereitgestellt ist. 9. Electrical coolant pump according to one of claims 1 to 5, wherein at least one opening is arranged in a circuit board of the power electronics (30), and a metallic component extends from a rear side through the opening to a component side of the circuit board, whereby over the metallic component a thermal contact is provided between the heat dissipation wall (6) and an electrical component of the power electronics (30).
10. Elektrische Kühlmittelpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Wärmeableitwand (6) ausgeprägte Abschnitte aufweist, die mit einer Rückseite einer Leiterplatte der Leistungselektronik (30) in einem thermischen Kontakt stehen. 10. Electric coolant pump according to one of claims 1 to 5, wherein the heat dissipation wall (6) has pronounced sections which are in thermal contact with a rear side of a circuit board of the power electronics (30).
11. Elektrische Kühlmittelpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Wärmeableitwand (6) einen ausgeprägten Abschnitt aufweist, und in einer Leiterplatte der Leistungselektronik (30) eine Öffnung angeordnet ist, wobei sich der ausgeprägte Abschnitt von einer Rückseite der Leiterplatte durch die Öffnung zu einer Bestückungsseite der Leiterplatte hindurch erstreckt, wodurch ein direkter thermischer Kontakt zwischen der Wärmeableitwand (6) und einem elektrischen Bauteil der Leistungselektronik (30) bereitgestellt ist. 11. Electric coolant pump according to one of claims 1 to 5, wherein the heat dissipation wall (6) has a pronounced portion, and an opening is arranged in a circuit board of the power electronics (30), wherein the pronounced section extends from a rear side of the circuit board through the opening to a component side of the circuit board, whereby a direct thermal contact between the heat dissipation wall (6) and an electrical component of the power electronics (30) is provided.
PCT/EP2021/051676 2020-02-28 2021-01-26 Thermally optimised coolant pump WO2021170327A1 (en)

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