WO2024028269A1 - Pumpvorrichtung für ein kraftfahrzeug - Google Patents

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WO2024028269A1
WO2024028269A1 PCT/EP2023/071158 EP2023071158W WO2024028269A1 WO 2024028269 A1 WO2024028269 A1 WO 2024028269A1 EP 2023071158 W EP2023071158 W EP 2023071158W WO 2024028269 A1 WO2024028269 A1 WO 2024028269A1
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WO
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fluid
sensor
sensor unit
fluid channel
cooling fluid
Prior art date
Application number
PCT/EP2023/071158
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English (en)
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Inventor
Holger Conrad
Alfred ELSÄSSER
Michael Langer
Lukas Schmidt
Michael Sahr
Dieter Höhn
Marco Kirchner
Tiemo Ehlers
Herwig Moser
Original Assignee
Mahle International Gmbh
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Publication date
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    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/58—Cooling; Heating; Diminishing heat transfer
    • F04D29/5806—Cooling the drive system
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F04D15/00—Control, e.g. regulation, of pumps, pumping installations or systems
    • F04D15/0088—Testing machines

Definitions

  • the invention relates to a pump device, such as an oil pump, a water pump or the like, for a motor vehicle or for a cooling device of a motor vehicle, in particular a fuel cell system, and for conveying cooling fluid, in particular oil, water or cooling water or the like.
  • the invention further relates to such a motor vehicle, such a cooling device, and a motor vehicle with such a cooling device and/or with a fuel cell system.
  • Such pump devices can be designed in various ways, for example as a centrifugal pump, gerotor pump, rotary vane pump or the like.
  • the invention also relates to a method for determining a measured variable, in particular a fluid temperature, which characterizes a cooling fluid in a pump device according to the invention.
  • waste heat-generating components of a motor vehicle for example its drive train, in particular a fuel cell system
  • the cooling fluid can be cooled by the resulting waste heat being absorbed and transported away by the cooling fluid.
  • electrical or electronic components of the motor vehicle that generate waste heat can also be cooled using the cooling fluid.
  • cooling fluid is typically circulated in a cooling circuit.
  • a pump device is typically used to drive or convey the cooling fluid in the cooling circuit.
  • various parameters or measured variables such as the fluid temperature of the coolant fluid delivered, the fluid pressure of the coolant fluid delivered, the mass flow delivered and thus the delivery capacity of the pump device and/or the electrical conductivity of the pump device Know the cooling fluid as accurately as possible.
  • suitable sensors can be provided in the cooling circuit.
  • Such sensors are usually arranged along the cooling circuit in contact with the cooling fluid.
  • DE102009005154A1 discloses a pump device with various sensors for detecting measured variables.
  • DE1983928U discloses a pump device with a temperature sensor arranged in the cooling fluid in the pump device.
  • US 2015/093253 A1 discloses a pumping device for fresh water module systems and a method for detecting a fluid temperature of a medium conveyed by the pumping device by measuring thermal radiation using a temperature sensor. Based on the recorded heat radiation, the fluid temperature of the pumped medium is determined using an external calculation.
  • the method requires the temperature sensor to be located outside of the cooling fluid.
  • this method and the arrangement required for it are also complex and may be unsuitable for motor vehicle applications, since special conditions apply to motor vehicle applications with regard to accuracy, robustness and reliability. A quick, reliable determination of the fluid temperature of a cooling fluid is often required.
  • an object of the present invention may be required to detect a change in the fluid temperature of the cooling fluid of 50 K within a maximum of 30 seconds, in particular a maximum of 15 seconds, in particular a maximum of 7 seconds. It is therefore an object of the present invention to provide an improved embodiment of a known pump device in which at least one of said disadvantages is partially or even completely eliminated. In particular, an object of the present invention is to provide a pump device that is compact and robust and at the same time enables reliable detection of at least one of the measured variables, in particular a fluid temperature of the cooling fluid.
  • a basic idea of the invention is therefore a pump device for a motor vehicle, which can be arranged in a cooling circuit for circulating cooling fluid, with a sensor unit with at least one sensor, in particular with at least two sensors, for determining one or more measured variables characterizing the cooling fluid, in particular for determining two measured variables that characterize the cooling fluid. Since the cooling fluid to be circulated in the cooling circuit must necessarily be guided through a fluid channel provided in the pump device in order to convey it, it is proposed to integrate said sensor unit directly into the pump device. In this way, installation space can be saved.
  • the pump device it is possible to use electrical components that are already installed in the pump device, such as a circuit board with electrical/electronic components arranged thereon or a circuit board arrangement (PCBA), for the electrical control or electrical energy supply of the sensor unit.
  • An electrical power supply for supplying the electrical drive unit and/or other electrical/electronic components, in particular a control/regulating device, of the pump device with electrical energy can be used at the same time to supply the sensor unit with electrical energy.
  • a control device for controlling the electric drive unit can simultaneously control the sensor unit and/or for processing the respective measured variable detected by the sensor unit can be used. This enables the construction of the pump device to be significantly simplified. The result is significant cost advantages.
  • the pump device according to the invention can in principle also be suitable for applications whose object is not or at least not primarily the cooling of components that generate waste heat.
  • the cooling fluid can therefore also be generally understood as a fluid or liquid.
  • the pump device for conveying cooling fluid, in particular water, oil, cooling water or the like, comprises a housing in which a fluid channel through which the cooling fluid to be conveyed can flow is arranged.
  • the fluid channel can be designed, for example, as a water channel for water or cooling water as a cooling fluid or as an oil channel for oil as a cooling fluid.
  • the pump device further comprises a drive unit for driving the cooling fluid guided through the fluid channel.
  • the pump device comprises an electrical sensor unit, which comprises at least one sensor for determining at least one measured variable that characterizes the cooling fluid, in particular a thermodynamic measured variable, such as a fluid temperature.
  • the sensor unit is at least partially arranged in the fluid channel.
  • the sensor unit with the at least one sensor projects into the fluid channel. This enables rapid and comparatively immediate detection of changes in the characteristic properties of the cooling fluid.
  • the at least one sensor of the sensor unit is arranged outside the fluid channel, alternatively or in addition to the arrangement according to the first aspect of the invention.
  • the sensor is coupled to the fluid channel in a heat-conducting manner.
  • the sensor is coupled in a heat-conducting manner to a fluid channel wall of the fluid channel.
  • the fluid channel wall limits a space of the fluid channel through which the cooling fluid can flow in the area of the sensor.
  • the at least one sensor is designed as a temperature sensor. This means that the sensor can be used to determine the fluid temperature of the cooling fluid guided through the fluid channel.
  • the temperature sensor if coupled to the fluid channel in a heat-conducting manner, is heated through the heat-conducting coupling in accordance with the fluid temperature.
  • the fluid channel wall can, in particular, be predominantly made of metal.
  • the fluid channel wall may contain metal and/or metal oxide, such as zinc oxide, silicon carbide or the like.
  • the fluid channel wall is preferably made of stainless steel.
  • the fluid channel wall is non-magnetic or only has paramagnetic or diamagnetic properties.
  • the fluid channel wall is preferably made of stainless steel.
  • the fluid channel wall can be made of plastic with filler to ensure good thermal conductivity. Metal/oxide or the aforementioned materials, for example, can be considered as fillers. Since metal-containing materials have good thermal conductivity, heat transfer from cooling fluid to the fluid channel wall and heat transfer from the fluid channel wall to the temperature sensor can be improved.
  • the senor and a fluid channel wall of the fluid channel are spaced apart from one another by less than 10 mm, in particular by less than 5 mm, in particular by less than 3 mm, in particular by less than 0.5 mm, in particular by less than 0.35 mm . If the sensor is arranged as close as possible to the fluid channel, good heat conduction is ensured.
  • the entire sensor unit is preferably arranged in the housing of the pump device outside the fluid channel, whereby the sensor unit is better protected.
  • the fluid channel wall has an external recess in which the sensor, in particular the sensor unit, is at least partially arranged.
  • the sensor unit is preferably at least 50%, in particular at least 70%, in particular completely embedded in the recess.
  • the depression has a depth of at least 2 mm, in particular 3 mm to 5 mm, in particular a maximum of 7 mm, in particular a maximum of 4 mm.
  • the outside depression can be designed as an embossing of the fluid channel wall towards its inside, in particular deep-drawn.
  • the sensor or the sensor unit is particularly preferably pressed in the recess against the fluid channel wall.
  • the fluid channel wall can have a corresponding inside projection.
  • the inside of the fluid channel wall is the side of the fluid channel wall that delimits the space of the fluid channel through which the cooling fluid can flow.
  • the fluid channel wall is designed in one piece, in particular as a sheet metal component or injection molded part.
  • the senor By providing the best possible heat-conducting coupling between the sensor and the fluid channel or its fluid channel wall, the sensor can be arranged outside the fluid channel and still enables a good determination of the fluid temperature.
  • An arrangement outside the fluid channel in the housing of the pump device enables, in addition to better protection of the sensors, also a simpler connection to other electrical/electronic components of the pump device, such as a control/regulation device.
  • the invention also includes advantageous embodiments in which the sensor unit in its entirety has the features mentioned above for the sensor or temperature sensor with regard to its arrangement relative to or its interaction with the fluid channel.
  • the heat-conducting coupling can be improved by connecting the sensor and the fluid channel, in particular the fluid channel wall, in a heat-conducting manner by a heat-conducting layer, in particular a heat-conducting paste and/or a gap filler and/or a heat-conducting pad.
  • the fluid channel preferably has two channel regions arranged one after the other along a flow path of the cooling fluid in the fluid channel.
  • the flow path describes the path of a fluid particle of the cooling fluid through the fluid channel via a location in the fluid channel closest to the sensor unit.
  • One of the channel areas is designed to guide cooling fluid towards the sensor unit and another of the channel areas is designed to guide cooling fluid directed towards the sensor unit away from the sensor unit.
  • cooling fluid is conveyed through both channel areas one after the other.
  • the fluid channel regions are aligned such that cooling fluid coming from one of the fluid channel regions flows against the fluid channel wall before entering the other fluid channel region.
  • the fluid channel wall is preferably designed to redirect cooling fluid from one of the channel areas to enter the other of the channel areas, which improves the flow.
  • the fluid channel is designed to deflect the cooling fluid along the flow path at the level of the sensor unit or the at least one sensor, in particular by at least 30°, in particular by at least 90°, in particular by at least 120°, in particular by less than 160° on a respective orientation of the flow path immediately before and after the deflection, which creates advantageous flow conditions for heat transfer during operation of the pump device in the deflection area.
  • the fluid channel thus specifies a flow path for cooling fluid from one of the channel regions towards the fluid channel wall and from the fluid channel wall through the other of the channel regions.
  • a preferred Continuous flow improves the heat transfer of cooling fluid to the fluid channel or fluid channel wall, so that fluid temperature changes in the cooling fluid can be easily detected.
  • the drive unit of the pump device comprises a rotatable drive shaft on which a pump rotor for conveying the cooling fluid in the fluid channel is arranged in a rotationally fixed manner.
  • the pump rotor can be designed, for example, as an impeller, gear, gerotor, eccentric or eccentric screw, rotary valve or the like.
  • the pump device comprises an electrical machine with a stator and a rotor for driving the drive shaft.
  • the stator is arranged in a stationary manner relative to the housing, while the rotor is connected to the drive shaft in a rotationally fixed manner, so that a relative rotational movement can take place between the rotor and stator.
  • the rotor is preferably designed to be permanent magnetic.
  • the drive shaft can be rotatably arranged on the housing or another component of the pump device that is arranged stationary to the housing by means of suitable bearing elements.
  • the pump device has a wet area and a dry area sealed in a fluid-tight manner from the wet area. This prevents liquid, in particular the cooling fluid, from reaching the wet area into the dry area.
  • the rotor of the electrical machine is arranged in the wet area and the stator of the electrical machine is arranged in the dry area. Such so-called wet runners are known to those skilled in the art.
  • the fluid channel runs in the wet area of the pump device. Further components required to convey the cooling fluid can each be arranged in the wet area.
  • the temperature sensor which is arranged outside the fluid channel and is thermally conductively coupled to the fluid channel, is arranged in the dry area.
  • the pump device preferably has a containment shell which fluid-tightly separates the dry area and the wet area.
  • the fluid channel wall is preferably formed at least in sections by the containment can.
  • the containment pot is particularly made of Metal, with non-magnetic materials being preferred in order to avoid adverse interactions with permanent and/or electromagnetic components.
  • the fluid channel runs in sections in the axial direction in an area radially between the stator and the rotor, in each case relative to an axis of rotation of the rotor.
  • the drive shaft and/or the rotor of the electric machine each delimit at least one channel area.
  • the pump device is designed to be particularly integrated and the cooling fluid can also be used to cool rotating parts of the pump device. This can be further improved by one of the channel areas running between the rotor and stator and/or the other channel area running through the rotor.
  • the drive unit comprises a control device for controlling the electrical machine with stator and rotor.
  • the control and control device is preferably arranged in the dry area of the pump device.
  • the control and control device comprises an electrical circuit board on which at least one electrical/electronic component is arranged.
  • These components can be, for example, sensors, capacitors, coils, resistors, switches, in particular semiconductor switches, and integrated circuits.
  • the sensor unit is electrically connected to the circuit board. In this way, the sensor unit can be controlled directly via the circuit board or with the help of the electrical/electronic components arranged on the circuit board. Separate electrical wiring of the sensor unit to the outside is therefore not necessary; Rather, the complete electrical control of the sensor unit can take place via said circuit board.
  • the sensor unit can also be arranged on the circuit board.
  • the sensor unit can therefore be designed as an SMD component, for example.
  • the sensor unit and circuit board are then part of a printed circuit board assembly (PCBA).
  • PCBA printed circuit board assembly
  • the sensor unit can thus be used in the course of Production of the pump device can be pre-assembled or pre-assembled directly on the circuit board.
  • the provision of electrical connecting lines between the circuit board and the sensor unit can be omitted, which results in both installation space and cost advantages.
  • the circuit board is preferably connected in a heat-conducting manner to the fluid channel wall, in particular directly, by means of the heat-conducting layer.
  • the fluid channel wall, heat-conducting layer and circuit board are stacked one on top of the other.
  • Electrical components of a circuit board arrangement are generally preferably arranged at least predominantly on one side of the circuit board in order to simplify production.
  • the at least one sensor in particular the sensor unit, is therefore preferably arranged on the side of the circuit board facing away from the fluid channel.
  • Preferably, more than 50%, in particular more than 85%, in particular all, of all electrical/electronic components arranged on the circuit board are arranged on the side of the circuit board facing away from the fluid channel. By arranging as many components as possible on this one side facing away from the fluid channel, the circuit board can be arranged closer to the fluid channel.
  • the circuit board When the pump device is operated, the circuit board can heat up due to electrical resistance, for example from electrical/electronic components and conductor tracks or integrated circuits of the circuit board.
  • the circuit board or the circuit board arrangement represents a heat source.
  • This self-heating can influence the determination of the measured variable, in particular the fluid temperature.
  • a further temperature sensor for detecting a circuit board temperature is therefore arranged on the circuit board.
  • the sensor unit and the further temperature sensor are spaced apart and interact in such a way that when determining the measured variable that characterizes the cooling fluid, an influence is exerted Self-heating of the circuit board on the measured variable can be taken into account or taken into account by comparing it with the circuit board temperature detected by the further temperature sensor.
  • a heat-conducting coupling of the further temperature sensor to the fluid channel is kept negligibly low.
  • the further temperature sensor is arranged radially with respect to an axis of rotation of the rotor next to the fluid channel wall without overlapping.
  • the circuit board is spaced from the fluid channel wall by a gap at the level of the further temperature sensor. This ensures that a thermally conductive coupling of the circuit board with the fluid channel takes place outside the location at which the further temperature sensor is arranged.
  • the self-heating can, in particular additionally, be taken into account in a different way when evaluating a signal from the sensor of the sensor unit to determine the measured variable.
  • a power consumption of the circuit board arrangement i.e. of the circuit board and electrical/electronic components arranged thereon, is recorded by a controller on the circuit board and a difference value correlating thereto is subtracted from the signal of the at least one sensor. If the sensor is designed as a temperature sensor, the power consumption of the circuit board arrangement can be recorded using a controller and a correlating difference value can be subtracted as a difference temperature from the signal detected by the temperature sensor. As a result, the accuracy of the temperature measurement is further approximated compared to arranging the sensor directly in the cooling fluid.
  • the circuit board is pressed, in particular directly, against the fluid channel wall of the fluid channel. This improves the heat conduction between the fluid channel and the temperature sensor arranged on the circuit board.
  • a heat-conducting layer can therefore be dispensed with.
  • the at least one sensor of the sensor unit is arranged on the side of the circuit board facing the fluid channel, which improves the heat-conducting coupling of the sensor and fluid channel. In addition, this ensures that the sensor or the sensor unit can be arranged in the recess of the fluid channel wall, which also contributes to a compact design. In particular, the sensor or the sensor unit is pressed against the fluid channel wall.
  • the sensor unit can be electrically connected to the circuit board by means of at least one insulation displacement connection or by means of at least one plug connection. This makes it easier to dismantle the sensor unit from the circuit board if necessary.
  • the control device can include an electrical power supply for supplying the electrical machine with electrical energy.
  • the sensor unit is electrically connected to this electrical power supply for supplying the at least one sensor with electrical energy. This means that there is no need to provide a separate electrical connection for the sensor unit with such a power supply. Rather, the sensor unit can be supplied with electrical energy via the electrical power supply of the control unit. This simplifies the electrical wiring of the sensor unit considerably, which also results in noticeable cost advantages.
  • control and control device comprises a communication unit for communicating with an external field bus, in particular with a LIN or CAN bus of a motor vehicle.
  • the sensor unit for reading out or controlling the at least one sensor is electrically or data-transmittingly connected to the controller and/or the communication unit. This enables flexible control or flexible reading of the sensor unit from outside via said sensor unit Fieldbus without the need for a separate communication unit.
  • the sensor unit can be used to control or read out
  • Communication unit of the control system can also be used.
  • the temperature measured by a sensor and a phase current of the electrical machine determined by the control and control device, and in particular a speed of the pump rotor are by means of a correlation of pressure, temperature and phase current, and in particular speed, stored in the control and control device.
  • to process, in particular to process in the control and control device to calculate a pressure of the cooling fluid.
  • the pump device is also set up to transmit data on the calculated pressure via the control and control device, in particular the communication unit for communicating with the external fieldbus.
  • the pump device is designed to measure a temperature and a speed of the pump rotor measured by the temperature sensor as at least one sensor, and in particular a phase current of the electrical machine determined by the control and control device, by means of a correlation of pressure stored in the control and control device , temperature and phase current, and in particular speed, to be processed, in particular to be processed in the control and control device, for calculating a mass flow and Z or volume flow of the cooling fluid.
  • the pump device is also set up to transmit data on the calculated mass flow or volume flow via the control and control device, in particular the communication unit for communicating with an external fieldbus.
  • the sensor unit can have at least two of the sensors explained below.
  • a sensor can be a pressure sensor for determining the fluid pressure of the cooling fluid guided through the fluid channel. This makes it possible to determine exactly the pressure at which the cooling fluid is pumped by the pump device.
  • Another sensor of the sensor unit can be a temperature sensor for determining the cooling fluid temperature of the cooling fluid guided through the fluid channel. The fluid temperature of the cooling fluid guided through the fluid channel can thus be determined very precisely.
  • a further sensor of the sensor unit can be a mass flow sensor for determining the mass flow of cooling fluid through the fluid channel. In this way, the current delivery rate of the cooling fluid delivered by the pump device can be precisely determined.
  • a further sensor of the sensor unit can comprise an electrical conductivity sensor for determining the electrical conductivity of the cooling fluid guided through the fluid channel. This means that the electrical conductivity of the cooling fluid can also be precisely determined. Precise knowledge of the electrical conductivity of the cooling fluid can prove to be advantageous if the fluid channel is delimited by metal components, since the cooling fluid with too high an electrical conductivity could then cause an electrical short circuit.
  • the sensor unit comprises a sensor housing in and/or on which the at least one sensor is arranged. Furthermore, in this development, at least one sensor and the sensor housing are designed as a structural unit, in particular as an SMD structural unit. This embodiment is particularly compact and can also be mounted particularly easily and in a space-saving manner in the housing of the pump device.
  • the drive shaft is designed as a, preferably hollow cylindrical, hollow shaft which surrounds a, preferably cylindrical, cavity which forms part of the fluid channel.
  • the cavity thus serves as a passage for the cooling fluid.
  • the flow path of the cooling fluid runs through the drive shaft.
  • One of the channel areas particularly preferably runs through the hollow shaft to the pump rotor.
  • the sensor unit is preferably arranged in an axial extension of the cavity in the fluid channel. This ensures a reliable flow in the area of the sensor unit.
  • the rotor has an axial passage to the pump rotor.
  • the cooling channel runs through this passage.
  • the flow path of the cooling fluid can thus run through the rotor.
  • one of the two channel areas runs through the passage of the rotor to the pump rotor.
  • the passage is preferably formed radially between a holding section and a magnet section which is radially spaced from the holding section. Holding section and magnet section are rigidly connected to one another, in particular by overmolding with a plastic.
  • the rotor is attached to the drive shaft by means of the holding portion.
  • the rotor is designed to be permanently magnetic, at least in the magnet section, in particular in such a way that at least one permanent magnet is arranged in the magnet section.
  • the rotor thus forms part of the fluid channel between the magnet section and the holding section. This enables better integration of the cooling channel and at the same time allows the rotor to be effectively cooled using cooling fluid.
  • the pump device can have a delivery geometry along the fluid channel, which enables a higher flow rate.
  • the conveying geometry interacts effectively with cooling fluid to convey cooling fluid.
  • at least one conveying geometry is formed in the hollow shaft.
  • the conveying geometry interacts with cooling fluid in such a way that cooling fluid is conveyed through the hollow shaft.
  • the rotor can have at least one conveying geometry, particularly in the passage.
  • the delivery geometry interacts with cooling fluid in such a way that cooling fluid is delivered through the rotor and/or past the rotor.
  • Such delivery geometries are also conceivable in other areas, in particular in the first and/or second channel area, of the fluid channel.
  • a sealing device is arranged axially between the pump rotor and the rotor for the sealing connection of the rotor to the housing.
  • the sealing device is preferably designed as a labyrinth seal.
  • the sealing device provides a sealing gap between the rotor and the housing.
  • the sealing gap ensures a sealing connection and, on the other hand, allows the rotor to move as intended relative to the housing to drive the drive shaft.
  • the sealing device has a first sealing part that is rigidly, in particular integrally, connected to the rotor and a second sealing part that is rigidly, in particular integrally, connected to the housing.
  • the sealing gap is formed between the sealing parts.
  • the sealing device is preferably arranged for cooling fluid to flow past on both sides of the sealing device in opposite directions.
  • the sealing device separates the two channel areas from one another.
  • the sealing gap preferably has a gap width of a maximum of 2 mm, in particular a maximum of 1 mm, and in particular at least 0.2 mm. Since only a negligibly small proportion of cooling fluid can penetrate through the sealing gap, an adequate seal is guaranteed.
  • the sealing device is designed to limit the fluid channel in such a way that in the direction Cooling fluid guided to the sensor unit passes the sealing device and reaches the pump rotor.
  • the sealing device is designed to limit the fluid channel in such a way that cooling fluid is guided past the sealing device in the direction of the sensor unit. As a result, cooling fluid flowing through the rotor is reliably directed to the pump rotor without mixing significantly with cooling fluid from other channel areas.
  • the housing can be formed at least in two parts, preferably in three parts, with a main housing body in which the drive unit is arranged, and with at least one, preferably two, housing cover(s).
  • the at least one housing cover is releasably attached to the housing body, preferably by means of at least one screw connection.
  • the sensor unit preferably also the circuit board, is firmly connected to a housing cover.
  • the sensor unit can be mounted on the pump device during the assembly of the housing cover on the housing main body and the sensor unit can also be pre-assembled on the housing cover. This simplifies the assembly of the pumping device.
  • the invention further relates to a cooling device for a fuel cell system of a motor vehicle.
  • the cooling device comprises a cooling circuit for circulating cooling fluid, in particular water or cooling water, and a pump device according to the invention arranged in the cooling circuit for conveying the cooling fluid in the cooling circuit.
  • the advantages of the pump device according to the invention explained above are therefore transferred to the cooling device according to the invention.
  • the invention further relates to a motor vehicle with a pump device according to the invention, wherein the motor vehicle comprises a drive train with a component that generates waste heat and is thermally coupled to the cooling device, so that the waste heat generated can be transferred to the cooling fluid circulating in the cooling circuit.
  • the component that generates waste heat can be, for example, an electric motor, an internal combustion engine or a fuel cell.
  • the Motor vehicle according to the invention can include features that are described above in connection with the pump device according to the invention.
  • the invention also relates to a motor vehicle with a cooling device according to the invention explained above.
  • a cooling device according to the invention explained above.
  • the advantages of the pump device according to the invention explained above are therefore transferred to the motor vehicle according to the invention.
  • this includes a fuel cell system that generates waste heat and is thermally coupled to the cooling device, so that the waste heat generated can be transferred to the cooling fluid circulating in the cooling circuit.
  • the invention also relates to a method for determining a measured variable, in particular a thermodynamic measured variable, in particular a fluid temperature, which characterizes a cooling fluid in a pump device according to the invention.
  • the cooling fluid is guided in a fluid channel towards a sensor unit. From the cooling fluid guided in the direction of the sensor unit, heat or thermal energy is transferred to the sensor unit by flowing against the fluid channel and via a heat-conducting coupling of the fluid channel and sensor unit.
  • a sensor of the sensor unit detects the thermal energy transmitted to the sensor unit by measuring temperature, with the sensor unit preferably determining the measured variable.
  • the cooling fluid directed towards the sensor unit is led away from the sensor unit.
  • the cooling fluid is deflected along a flow path of the cooling fluid at the level of the at least one sensor of the sensor unit, from one channel region of the fluid channel to enter another channel region of the fluid channel.
  • the method can have features that are described above in connection with the pump device, motor vehicle or cooling device. Further important features and advantages of the invention emerge from the subclaims, from the drawing and from the associated description of the figures based on the drawing.
  • Fig. 1 an example of a pump device according to the first aspect of the invention in a sectional view
  • Fig. 2 an exemplary embodiment of a pump device according to the second aspect of the invention in a sectional view.
  • FIG 1 shows an example of a pumping device 1 according to the invention designed as a water pump in a sectional view.
  • the pump device 1 serves to convey cooling fluid W, in particular water, in particular cooling water.
  • the pump device 1 comprises a housing 2, in which a fluid channel 3 through which the cooling fluid W to be pumped can flow is arranged.
  • the pump device 1 comprises an electric drive unit 4, which is partially arranged in the fluid channel 3 in the example according to FIG non-rotatable a pump rotor 8 designed as an impeller for conveying water as cooling fluid W is arranged in the fluid channel 3.
  • the pump device 1 of the embodiment according to FIG. 1 comprises an electrical sensor unit 5 which is arranged at least partially in the fluid channel 3 and which, in the example, comprises four sensors 6a, 6b, 6c, 6d for determining one measurement variable characterizing the cooling fluid W.
  • a first 6a of the four sensors 6a-6d is a pressure sensor for determining the fluid pressure of the cooling fluid W guided through the fluid channel 3. This makes it possible to determine exactly at what pressure the cooling fluid W is conveyed by the pump device.
  • a second 6b of the four sensors 6a-6d of the sensor unit 5 is a temperature sensor for determining the fluid temperature of the cooling fluid W guided through the fluid channel 3. The fluid temperature of the cooling fluid W guided through the fluid channel 3 can thus be determined very precisely.
  • a third 6c of the four sensors 6a-6d of the sensor unit 5 is a mass flow sensor for determining the mass flow of cooling fluid W through the fluid channel 3. In this way, the current delivery rate of the cooling fluid delivered by the pump device can be precisely determined.
  • a fourth 6d of the four sensors 6a-6d of the sensor unit 5 is an electrical conductivity sensor for determining the electrical conductivity of the cooling fluid W guided through the fluid channel 3. The electrical conductivity of the cooling fluid W can thus also be determined precisely. Exact knowledge of the electrical conductivity of the cooling fluid W can prove to be particularly important if the fluid channel 3 is delimited by metal components, since the cooling fluid W could then cause an electrical short circuit if the electrical conductivity is too high.
  • the sensor unit 5 can expediently be equipped with a sensor housing 17, in or on which the four sensors 6a-6d are arranged. Furthermore, in this development, the four sensors 6a-6d and the sensor housing 17 are designed as a structural unit.
  • the drive unit 4 comprises an electric machine 9 with a stator 10 and with a rotor 11 for driving the drive shaft 7.
  • the drive shaft 7 can, as shown in Figure 1, be designed as a hollow shaft 18 with a hollow cylindrical geometry, which surrounds a cylindrical cavity 19 on the circumference and axially is open on both sides.
  • the cavity 19 forms part of the fluid channel 3.
  • the sensor unit 5 with the sensors 6a-6d protrudes into the fluid channel 3 in the area of an axial extension 20 of the cavity 19.
  • the stator 10 is arranged in a stationary manner relative to the housing 2, while the rotor 11 is connected to the drive shaft 7 in a rotationally fixed manner, so that a relative rotational movement takes place between the rotor 11 and the stator 10 during operation of the pump device 1.
  • the rotary movement of the rotor 11 takes place about an axis of rotation D, which is identical to a central longitudinal axis M of the drive shaft 7.
  • the central longitudinal axis M extends along an axial direction A.
  • the drive shaft 7 can be rotatably arranged on the housing 2 or another component (not shown) of the pump device 1 that is stationary relative to the housing 2 by means of suitable bearing elements (not shown).
  • the rotor 11 can be arranged in the fluid channel 3.
  • the stator 10 can delimit the fluid channel 3 in that section of the fluid channel 3 in which the rotor 11 is arranged.
  • the cooling fluid W flowing through the fluid channel 3 can cool both the stator 10 and the rotor 11.
  • the drive unit 4 comprises a control and control device 12 for controlling the electrical machine 9.
  • the control and control device 12 includes an electrical circuit board 13 on which electrical and electronic components are arranged. These components can be, for example, capacitors, coils, resistors, switches, in particular semiconductor switches, and integrated circuits (not shown).
  • the sensor unit 5 is electrically connected to the circuit board 13. Therefore, the electrical control of the sensor unit 5 and its sensors 6a-6d can take place directly via the circuit board 13 or with the help of the electrical electronic components arranged on the circuit board 13. A separate wiring of the sensor unit 5 to the outside is therefore not necessary; rather, the complete electrical application of the sensor unit can via the circuit board 13.
  • the sensor unit 5 is arranged directly on the circuit board 13 in the example scenario.
  • the sensor unit 5 can optionally be electrically connected to the circuit board 13 by means of a suitable insulation displacement connection and by means of suitable plug connections, which simplifies any necessary dismantling of the sensor unit 5 from the circuit board 13.
  • the control device 12 includes an electrical power supply 14 for supplying the electrical machine 9 with electrical energy.
  • the sensor unit 5 is electrically connected to this electrical power supply 14 for supplying the at least one sensor 6 with electrical energy.
  • the provision of an electrical power supply 14 and the provision of a separate electrical connection of the sensor unit 5 to such a power supply can therefore be dispensed with.
  • the sensor unit 5 can be supplied with electrical energy via the electrical power supply of the control unit 12. This simplifies the electrical wiring of the electrical sensor unit 5 considerably, which also results in noticeable cost advantages.
  • the control and control device 12 also includes a communication unit 15 for communicating with an external field bus (not shown), in particular a LIN or CAN bus of a motor vehicle.
  • the sensor unit 5 is connected to this communication unit 15 electrically and also for data transmission for controlling the four sensors 6a-6d. This enables flexible control of the sensor unit 5 from the outside, in particular via said fieldbus, without the need for a separate communication unit. Instead, the communication unit 15 of the control device 12 can be used to control the sensor unit 5.
  • the housing 2 is in three parts with a housing main body 2a, in which the drive unit 4 is arranged, and two each other opposite housing covers 2b, 2c, wherein the housing main body 2a can be arranged sandwich-like between the two housing covers 2b, 2c as shown.
  • the two housing covers 2b, 2c are each detachably attached to the housing main body 2a by means of screw connections 16.
  • the sensor unit 5 and also the circuit board 13 are each firmly connected to a first 2b of the two housing covers 2b, 2c.
  • the sensor unit 5 can thus be pre-assembled on the first housing cover 2b during the assembly of the pump device 1. This makes it easier to assemble the pump device 1.
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment of a pump device 1 according to the second aspect of the invention in a schematic longitudinal section representation. Since the embodiment of Figure 2 corresponds to the embodiment according to Figure 1 in terms of many features, reference is made to the above description with regard to matching features and supplemented below.
  • the pump device 1 in Figure 2 is used to pump oil as cooling fluid W.
  • the pump device 1 has a housing 2 with housing covers 2a, 2c and housing main body 2b, in which a fluid channel 3 with a plurality of channel areas 3a, 3b between a stator 10 and a rotor 11 of an electrical machine 9 and through an axial passage of the rotor 11 to a pump rotor 8.
  • Pump rotor 8 and rotor 11 are connected in a rotationally fixed manner by a drive shaft 7.
  • the pump device 1 is divided into a wet area and a dry area by a containment shell 23. Stator 10 and electrical/electronic components are arranged in the dry area.
  • the fluid channel 3 runs in the wet area and the rotor 11 is arranged.
  • the passage of the rotor 8 is formed radially between a holding section 111 and a magnet section 112.
  • the holding section 111 is used to fasten the rotor to the drive shaft 7.
  • the magnet section 112 is designed to be permanent magnetic and contains permanent magnets.
  • a sealing device 21 designed as a labyrinth seal is arranged axially between the pump rotor 8 and the rotor 11 to seal an area between the rotor 11 and the housing 2 through which cooling fluid W would otherwise flow.
  • the Sealing device 21 provides a sealing gap 22 through which only a negligibly small proportion of cooling fluid W can penetrate. As a result, cooling fluid W flowing through the rotor 11 is reliably guided to the pump rotor 8 without mixing significantly with cooling fluid W from other channel areas.
  • the drive shaft 7 is designed as a solid shaft.
  • the rotor 11 is provided with the axial passage between the holding section 111 and a magnet section 112 through which cooling fluid W can flow.
  • the passage is part of the fluid channel 3.
  • the invention also includes embodiments with a hollow shaft, so that the fluid channel, in particular in addition to the passage through the rotor 11, can run through the hollow shaft to the pump rotor 8.
  • the pump device is designed as a gerotor pump.
  • the pump rotor 8 is therefore designed as a gerotor, in particular a multi-stage one.
  • the individual gerotor stages are not shown in the schematic representation.
  • Multistage gerotor pumps are known and described, for example, in the German patent application DE 10 2021 214 256 A1 or the international patent application WO 00/42321 A1.
  • the flow path of the cooling fluid W through a channel area 3a between rotor 11 and stator 10 is indicated by arrows.
  • the pump device is designed to be essentially rotationally symmetrical in the area of the rotor 11 and stator 10, so that cooling fluid can of course flow through the rotor 11 on both sides of the axis of rotation D shown.
  • the point drawn in the area of the pump rotor 8 illustrates the delivery of the cooling fluid W in the pump rotor 8 perpendicular to the axis of rotation of the pump rotor 8 from a suction side to a pressure side. Cooling fluid in the pump rotor is compressed from the suction side to the pressure side.
  • the invention in general naturally also includes embodiments in which the flow path of the cooling fluid is reversed, ie the suction and pressure sides are swapped. In such embodiments, the cooling fluid flows from the pressure side through the rotor 11 or the drive shaft 7.
  • the containment pot 23 forms a fluid channel wall 3c on its pot bottom.
  • the fluid channel wall 3c is flowed along the flow path by the cooling fluid W when cooling fluid W is conveyed through the fluid channel 3. This results in good heat transfer from the cooling fluid to the fluid channel 3 or its fluid channel wall 3c.
  • the pump device 1 further comprises a sensor unit 5. This is arranged on a side of a circuit board 13 of a control/regulation device 12 of the pump device 1 facing away from the cooling channel 3.
  • the sensor unit 5 has a sensor 6 designed as a temperature sensor 61.
  • a further temperature sensor 62 is arranged at a distance from this on the circuit board 13.
  • the further temperature sensor 62 is preferably arranged such that a heat flow transferred by heat conduction from the fluid channel 3 to the further temperature sensor 62 amounts to a maximum of 30% of a heat flow from the fluid channel 3 to the sensor 6 of the sensor unit.
  • the further temperature sensor 62 primarily detects a self-heating of the circuit board 13 that correlates with the electrical power obtained.
  • the temperature sensor 61 of the sensor unit 5 serves to determine the fluid temperature of the cooling fluid W and is coupled to the fluid channel 5 in a heat-conducting manner.
  • a gap filler is arranged as a heat-conducting layer 24 in contact with fluid channel 3 and circuit board 13.
  • This heat-conducting layer 24 ensures good heat conduction between the fluid channel and the circuit board 13, with the sensor 6 being coupled in a heat-conducting manner as a temperature sensor via the circuit board 13 and the heat-conducting layer 24 to the fluid channel 3.
  • the heat-conducting layer 24 extends over the entire containment can base.
  • the circuit board 13 extends radially over the fluid channel wall 3c and the heat-conducting layer 24 beyond. Fluid channel wall 3c, heat-conducting layer 24 and circuit board 13 are connected in a heat-conducting manner over the entire area in which they each overlap.
  • the quality of the heat transfer of the cooling fluid to the fluid channel 5 or the sensor 6 is significantly improved if it is ensured that cooling fluid W continuously flows against the fluid channel wall 3c.
  • Sensor 6 or sensor unit 5 and fluid channel 3 are therefore coordinated in terms of their arrangement. Cooling fluid W guided through channel area 3a towards the sensor unit 5 flows against the fluid channel wall 3c with heat transfer to the fluid channel wall 3c and is deflected by it in such a way that the cooling fluid W is guided away from the sensor unit 5 or sensor 6 through channel area 3b.
  • the sensor 6 is arranged at the level of the point at which the deflection takes place, so that the shortest possible path for heat transfer from the fluid channel 3 to the sensor 6 through heat conduction is provided.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Pumpvorrichtung (1) zum Fördern von Kühlfluid W. Die Pumpvorrichtung (1) umfasst ein Gehäuse (2), in welchem ein von dem zu fördernden Kühlfluid W durchströmbarer Fluidkanal (3) angeordnet ist, sowie eine Antriebseinheit (4) zum Antreiben des durch den Fluidkanal (3) geführten Kühlfluids W. Außerdem umfasst die Pumpvorrichtung (1) eine elektrische Sensoreinheit (5), die wenigstens einen Sensor (6), insbesondere einen Temperatursensor zum Bestimmen wenigstens einer das Kühlfluid charakterisierender Messgrößen umfasst. Die Sensoreinheit (5) kann zumindest teilweise in dem Fluidkanal (3) angeordnet sein. Der Sensor (6) kann als Temperatursensor außerhalb des Fluidkanals (3) angeordnet und mit diesem wärmeleitend gekoppelt sein.

Description

Pumpvorrichtung für ein Kraftfahrzeug
Die Erfindung betrifft eine Pumpvorrichtung, wie z.B. eine Ölpumpe, eine Wasserpumpe oder dergleichen, für ein Kraftfahrzeug bzw. für eine Kühleinrichtung eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Brennstoffzellensystems, und zum Fördern von Kühlfluid, insbesondere Öl, Wasser bzw. Kühlwasser oder dergleichen. Die Erfindung betrifft weiterhin ein solches Kraftfahrzeug, eine solche Kühleinrichtung, sowie ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Kühleinrichtung und/oder mit einem Brennstoffzellensystem. Derartige Pumpvorrichtungen können verschiedenartig ausgeführt sein, beispielsweise als Kreiselpumpe, Gerotorpumpe, Drehschieberpumpe oder dergleichen. Schließlich betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Bestimmen einer Messgröße, insbesondere einer Fluidtemperatur, die ein Kühlfluid in einer erfindungsgemäßen Pumpvorrichtung charakterisiert.
Mithilfe von Kühlfluid können Abwärme erzeugende Komponenten eines Kraftfahrzeugs, beispielsweise dessen Antriebsstrang, insbesondere ein Brennstoffzellensystem, gekühlt werden, indem die anfallende Abwärme vom Kühlfluid aufgenommen und abtransportiert wird. In analoger Weise können mittels des Kühlfluids auch Abwärme erzeugende elektrische bzw. elektronische Komponenten des Kraftfahrzeugs gekühlt werden.
In beiden Fällen wird besagtes Kühlfluid typischerweise in einem Kühlkreislauf zirkuliert. Zum Antreiben bzw. Fördern des Kühlfluids im Kühlkreislauf wird typischerweise eine Pumpvorrichtung verwendet. Um deren ordnungsgemäße Funktion sicherzustellen, ist es bedeutsam, verschiedene Parameter bzw. Messgrößen wie beispielsweise die Fluidtemperatur des geförderten Kühlfluids, den Fluiddruck des geförderten Kühlfluids, den geförderten Massenstrom und somit die Förderleistung der Pumpvorrichtung und/oder die elektrische Leitfähigkeit des Kühlfluids möglichst genau zu kennen. Hierzu können im Kühlkreislauf geeignete Sensoren vorgesehen sein.
Solche Sensoren sind üblicherweise entlang des Kühlkreislaufs in Kontakt mit dem Kühlfluid angeordnet. Beispielsweise offenbart DE102009005154A1 eine Pumpvorrichtung mit verschiedenen Sensoren zur Erfassung von Messgrößen. DE1983928U offenbart eine Pumpvorrichtung mit einem in der Pumpvorrichtung im Kühlfluid angeordnetem Temperatursensor.
Jedoch erweist sich die elektrische Implementierung besagter Sensoren in den Kühlkreislauf, insbesondere deren elektrische Verdrahtung zur Steuerung und elektrischen Energieversorgung, als sehr aufwändig und somit kostenintensiv. Als aufwendig hat sich außerdem erwiesen, zum einen eine zuverlässige Erfassung der jeweiligen Messgröße zu gewährleisten und zum anderen elektrische Komponenten vor dem Kühlfluid zu schützen.
US 2015/093253 A1 offenbart eine Pumpvorrichtung für Frischwassermodul-Systeme und ein Verfahren zum Erfassen einer Fluidtemperatur eines durch die Pumpvorrichtung geförderten Mediums unter Messung von Wärmestrahlung mittels eines Temperatursensors. Auf Basis der erfassten Wärmestrahlung wird mittels einer extern durchgeführten Berechnung die Fluidtemperatur des geförderten Mediums bestimmt. Das Verfahren erfordert die Anordnung des Temperatursensor außerhalb des Kühlfluids. Allerdings ist auch dieses Verfahren und die dafür erforderliche Anordnung aufwendig und kann für Kraftfahrzeug-Anwendungen ungeeignet sein, da für Kraftfahrzeug-Anwendungen besondere Bedingungen hinsichtlich Genauigkeit, Robustheit und Zuverlässigkeit gelten. Häufig ist eine schnelle zuverlässige Bestimmung der Fluidtemperatur eines Kühlfluids erforderlich. Beispielsweise kann gefordert sein, eine Änderung der Fluidtemperatur des Kühlfluids von 50 K innerhalb von maximal 30 Sekunden, insbesondere maximal 15 Sekunden, insbesondere maximal 7 Sekunden, festzustellen. Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Ausführungsform für eine bekannte Pumpvorrichtung zu schaffen, bei welcher zumindest ein besagter Nachteil teilweise oder sogar vollständig ausgeräumt ist. Insbesondere ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Pumpvorrichtung bereitzustellen, die kompakt und robust ist sowie zugleich eine zuverlässige Erfassung zumindest einer der Messgrößen, insbesondere einer Fluidtemperatur des Kühlfluids, ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Eine Grundidee der Erfindung ist demnach, eine Pumpvorrichtung für ein Kraftfahrzeug, die in einem Kühlkreislauf zum Zirkulieren von Kühlfluid angeordnet werden kann, mit einer Sensoreinheit mit wenigstens einem Sensor, insbesondere mit wenigstens zwei Sensoren, zum Bestimmen von einer oder mehreren das Kühlfluid charakterisierenden Messgrößen, insbesondere zum Bestimmen zweier das Kühlfluid charakterisierender Messgrößen, auszustatten. Da das im Kühlkreislauf zu zirkulierende Kühlfluid zum Fördern desselben zwingend durch einen in der Pumpvorrichtung vorgesehenen Fluidkanal geführt werden muss, wird vorgeschlagen, besagte Sensoreinheit direkt in die Pumpvorrichtung zu integrieren. Auf diese Weise kann Bauraum eingespart werden. Darüber hinaus ist es möglich, für die elektrische Steuerung bzw. elektrische Energieversorgung der Sensoreinheit hierfür bereits ohnehin in der Pumpvorrichtung verbaute elektrische Komponenten, wie z.B. eine Leiterplatte mit darauf angeordneten elektrischen/elektronischen Bauteilen bzw. eine Leiterplattenanordnung (PCBA), heranzuziehen. So kann eine elektrische Spannungsversorgung zum Versorgen der elektrischen Antriebseinheit und/oder anderer elektrischer/elektronischer Komponenten, insbesondere einer Steuerungs- /Regelungseinrichtung, der Pumpvorrichtung mit elektrischer Energie gleichzeitig zum Versorgen der Sensoreinheit mit elektrischer Energie verwendet werden. Darüber hinaus kann eine Steuerungs-ZRegelungseinrichtung zum Steuern der elektrischen Antriebseinheit gleichzeitig zum Steuern der Sensoreinheit und/oder zum Verarbeiten der jeweiligen durch die Sensoreinheit detektierten Messgröße verwendet werden. Dies ermöglicht eine erhebliche Vereinfachung des Aufbaus der Pumpvorrichtung. Im Ergebnis gehen damit erhebliche Kostenvorteile einher. Die erfindungsgemäße Pumpvorrichtung kann grundsätzlich auch für Anwendungen geeignet sein, deren Gegenstand nicht bzw. zumindest nicht vorwiegend das Kühlen von Abwärme erzeugende Komponenten ist. Das Kühlfluid kann somit auch allgemein als Fluid bzw. Flüssigkeit verstanden werden.
Im Einzelnen umfasst die erfindungsgemäße Pumpvorrichtung zum Fördern von Kühlfluid, insbesondere von Wasser, Öl, Kühlwasser oder dergleichen, ein Gehäuse, in welchem ein von dem zu fördernden Kühlfluid durchströmbarer Fluidkanal angeordnet ist. Der Fluidkanal kann beispielsweise als Wasserkanal für Wasser bzw. Kühlwasser als Kühlfluid oder als Ölkanal für Öl als Kühlfluid ausgeführt sein. Ferner umfasst die Pumpvorrichtung eine Antriebseinheit zum Antreiben des durch den Fluidkanal geführten Kühlfluids.
Weiterhin umfasst die Pumpvorrichtung eine elektrische Sensoreinheit, die wenigstens einen Sensor zum Bestimmen wenigstens einer das Kühlfluid charakterisierenden Messgröße, insbesondere einer thermodynamischen Messgröße, wie z.B. einer Fluidtemperatur, umfasst.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist die Sensoreinheit zumindest teilweise im Fluidkanal angeordnet. In einer vorteilhaften Ausführungsform ragt die Sensoreinheit mit dem wenigstens einen Sensor in den Fluidkanal hinein. Dies ermöglicht eine schnelle und vergleichsweise unmittelbare Erfassung von Veränderungen charakteristischer Eigenschaften des Kühlfluids.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ist der wenigstens eine Sensor der Sensoreinheit, alternativ oder zusätzlich zur Anordnung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung, außerhalb des Fluidkanals angeordnet. Der Sensor ist mit dem Fluidkanal wärmeleitend gekoppelt. Insbesondere ist der Sensor mit einer Fluidkanalwand des Fluidkanals wärmeleitend gekoppelt. Die Fluidkanalwand begrenzt einen von dem Kühlfluid durchströmbaren Raum des Fluidkanals im Bereich des Sensors. Allgemein bevorzugt ist der wenigstens eine Sensor als Temperatursensor ausgeführt. Dadurch ist der Sensor zum Ermitteln der Fluidtemperatur des durch den Fluidkanal geführten Kühlfluids verwendbar. Der Temperatursensor, wenn mit dem Fluidkanal wärmeleitend gekoppelt, wird dazu entsprechend der Fluidtemperatur durch die wärmeleitende Kopplung durchwärmt.
Die Fluidkanalwand kann, insbesondere überwiegend, aus Metall hergestellt sein. Die Fluidkanalwand kann Metall und/oder Metalloxid, wie z.B. Zinkoxid, Siliziumcarbid oder dergleichen, enthalten. Bevorzugt ist die Fluidkanalwand aus Edelstahl hergestellt. Vorzugsweise ist die Fluidkanalwand nichtmagnetisch bzw. weist lediglich paramagnetische bzw. diamagnetische Eigenschaften auf. Bevorzugt ist die Fluidkanalwand aus Edelstahl hergestellt. Die Fluidkanalwand kann in manchen Ausführungsformen aus Kunststoff mit Füllstoff zur Gewährleistung einer guten Wärmeleitfähigkeit hergestellt sein. Als Füllstoff kommen z.B. Metall/-oxid bzw. die vorgenannten Materialien in Betracht. Da metallhaltige Materialien eine gute Wärmeleitfähigkeit besitzen, kann eine Wärmeübertragung von Kühlfluid auf die Fluidkanalwand und eine Wärmeübertragung von der Fluidkanalwand zum Temperatursensor verbessert sein.
Diese Kopplung mittels Wärmeleitung hat sich gegenüber anderen Arten der Wärmeübertragung, wie z.B. Wärmestrahlung oder Konvektion, als besonders effektiv erwiesen, um eine schnelle und genaue Ermittlung der Fluidtemperatur bei gleichzeitig robuster Gestaltung der Pumpvorrichtung zu gewährleisten. Neben der Wärmeleitung können andere Wärmeübertragungsmechanismen geringfügig zur Wärmeübertragung zwischen Kühlfluid und Temperatursensor beitragen. Diese sind jedoch für die Wärmeübertragung von der Fluidkanalwand zum Temperatursensor vernachlässigbar.
In bevorzugten Ausführungsformen sind der Sensor und eine Fluidkanalwand des Fluidkanals um weniger als 10 mm, insbesondere um weniger als 5 mm, insbesondere um weniger als 3 mm, insbesondere um weniger als 0,5 mm, insbesondere um weniger als 0,35 mm voneinander beabstandet. Wenn der Sensor möglichst nah an dem Fluidkanal angeordnet ist, ist eine gute Wärmeleitung sichergestellt.
Vorzugsweise ist die gesamte Sensoreinheit im Gehäuse der Pumpvorrichtung außerhalb des Fluidkanals angeordnet, wodurch die Sensoreinheit besser geschützt ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Fluidkanalwand eine außenseitige Vertiefung auf, in welcher der Sensor, insbesondere die Sensoreinheit, zumindest teilweise angeordnet ist. Bevorzugt ist die Sensoreinheit zu zumindest 50 %, insbesondere zu zumindest 70 %, insbesondere vollständig in die Vertiefung eingelassen. Insbesondere weist die Vertiefung eine Tiefe von zumindest 2 mm, insbesondere 3 mm bis 5 mm, insbesondere maximal 7 mm, insbesondere maximal 4 mm, auf. Die außenseitige Vertiefung kann als Prägung der Fluidkanalwand in Richtung zu dessen Innenseite, insbesondere tiefgezogen, ausgeführt sein. Zur Verbesserung der Wärmeleitung ist besonders bevorzugt der Sensor bzw. die Sensoreinheit in der Vertiefung gegen die Fluidkanalwand gepresst. Mit der Vertiefung kann die Fluidkanalwand einen korrespondierenden innenseitigen Vorsprung aufweisen. Die Innenseite der Fluidkanalwand ist die den von dem Kühlfluid durchströmbaren Raum des Fluidkanals begrenzende Seite der Fluidkanalwand. Allgemein bevorzugt ist die Fluidkanalwand einstückig ausgeführt, insbesondere als Blechbauteil oder Spritzgussteil.
Durch möglichst gute wärmeleitende Kopplung von Sensor und Fluidkanal bzw. dessen Fluidkanalwand kann der Sensor außerhalb des Fluidkanals angeordnet sein und ermöglicht dennoch eine gute Bestimmung der Fluidtemperatur. Eine Anordnung außerhalb des Fluidkanals im Gehäuse der Pumpvorrichtung ermöglicht neben dem besseren Schutz der Sensorik auch eine einfachere Anbindung an andere elektrische/elektronische Komponenten der Pumpvorrichtung, wie etwa eine Steuerungs-ZRegelungseinrichtung. Von der Erfindung sind auch vorteilhafte Ausführungsformen umfasst, bei denen die Sensoreinheit in ihrer Gesamtheit die vorstehend zum Sensor bzw. Temperatursensor genannten Merkmale bezüglich dessen Anordnung relativ zu bzw. dessen Zusammenwirken mit dem Fluidkanal aufweist.
Die wärmeleitende Kopplung kann verbessert werden, indem der Sensor und der Fluidkanal, insbesondere die Fluidkanalwand, durch eine Wärmeleitschicht, insbesondere eine Wärmeleitpaste und/oder einen Gap-Filler und/oder ein Wärmeleitpad, wärmeleitend verbunden sind.
Der Fluidkanal weist bevorzugt zwei entlang eines Strömungspfads des Kühlfluids im Fluidkanal nacheinander angeordnete Kanalbereiche auf. Der Strömungspfad beschreibt den Weg eines Fluidteilchens des Kühlfluids durch den Fluidkanal über einen der Sensoreinheit nächstliegenden Ort im Fluidkanal. Einer der Kanalbereiche ist ausgeführt, Kühlfluid in Richtung zur Sensoreinheit zu führen und ein anderer der Kanalbereiche ist ausgeführt, in Richtung zur Sensoreinheit geführtes Kühlfluid von der Sensoreinheit weg zu führen. So wird bei Betrieb der Pumpvorrichtung Kühlfluid nacheinander durch beide Kanalbereiche gefördert. Allgemein bevorzugt sind die Fluidkanalbereiche so ausgerichtet, dass von einem der Fluidkanalbereiche kommendes Kühlfluid vor Eintritt in den anderen Fluidkanalbereich die Fluidkanalwand anströmt. Bevorzugt ist die Fluidkanalwand ausgebildet, Kühlfluid von dem einen der Kanalbereiche zum Eintritt in den anderen der Kanalbereiche umzulenken, was die Anströmung verbessert. Besonders bevorzugt ist der Fluidkanal ausgeführt, das Kühlfluid entlang des Strömungspfads auf Höhe der Sensoreinheit bzw. des wenigstens einen Sensors umzulenken, insbesondere um zumindest 30° , insbesondere um zumindest 90°, insbesondere um zumindest 120°, insbesondere um weniger als 160°, bezogen auf eine jeweilige Ausrichtung des Strömungspfads unmittelbar vor und nach der Umlenkung, was im Betrieb der Pumpvorrichtung im Umlenkbereich vorteilhafte Anströmungsbedingungen zur Wärmeübertragung erzeugt. Vorzugsweise gibt der Fluidkanal somit einen Strömungspfad für Kühlfluid von dem einen der Kanalbereiche gegen die Fluidkanalwand und von der Fluidkanalwand durch den anderen der Kanalbereiche vor. Ein bevorzugt durchgehendes Anströmen verbessert die Wärmeübertragung von Kühlfluid auf Fluidkanal bzw. Fluidkanalwand, sodass Fluidtemperaturänderungen des Kühlfluids gut detektierbar sind.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Pumpvorrichtung umfasst die Antriebseinheit der Pumpvorrichtung eine drehbare Antriebswelle, an welcher drehfest ein Pumpenrotor zum Fördern des Kühlfluids im Fluidkanal angeordnet ist. Je nach Pumpenart kann der Pumpenrotor beispielsweise als Flügelrad, Zahnrad, Gerotor, Exzenter bzw. Exzenterschnecke, Drehschieber oder dergleichen ausgeführt sein. Weiterhin umfasst die Pumpvorrichtung eine elektrische Maschine mit einem Stator und mit einem Rotor zum Antreiben der Antriebswelle. Der Stator ist dabei ortsfest zum Gehäuse angeordnet, der Rotor hingegen drehfest mit der Antriebswelle verbunden, sodass zwischen Rotor und Stator eine relative Drehbewegung stattfinden kann. Der Rotor ist vorzugsweise permanentmagnetisch ausgeführt. Die Antriebswelle kann mittels geeigneter Lagerelemente drehbar am Gehäuse oder einem anderen, ortsfest zum Gehäuse angeordneten Bauteil der Pumpvorrichtung angeordnet sein.
Gemäß einer allgemein bevorzugten Ausführungsform weist die Pumpvorrichtung einen Nassbereich und einen zum Nassbereich fluiddicht abgedichteten Trockenbereich auf. So ist vermieden, dass Flüssigkeit, insbesondere das Kühlfluid, vom Nassbereich in den Trockenbereich gelangt. Der Rotor der elektrischen Maschine ist im Nassbereich und der Stator der elektrischen Maschine ist im Trockenbereich angeordnet. Solche sogenannten Nassläufer sind dem Fachmann bekannt. Der Fluidkanal verläuft im Nassbereich der Pumpvorrichtung. Weitere zum Fördern des Kühlfluids erforderliche Komponenten können jeweils im Nassbereich angeordnet sein. Der außerhalb des Fluidkanals angeordnete und mit dem Fluidkanal wärmeleitend gekoppelte Temperatursensor ist im Trockenbereich angeordnet.
Bevorzugt weist die Pumpvorrichtung einen Spalttopf auf, der Trockenbereich und Nassbereich fluiddicht trennt. Die Fluidkanalwand ist vorzugsweise zumindest abschnittsweise durch den Spalttopf gebildet. Der Spalttopf ist insbesondere aus Metall hergestellt, wobei nichtmagnetische Materialien zu bevorzugen sind, um nachteilige Wechselwirkungen mit permanent- und/oder elektromagnetischen Komponenten zu vermeiden.
Allgemein bevorzugt verläuft der Fluidkanal abschnittsweise in axialer Richtung in einem Bereich radial zwischen Stator und Rotor, jeweils bezogen auf eine Drehachse des Rotors. Insbesondere begrenzen die Antriebswelle und/oder der Rotor der elektrischen Maschine jeweils zumindest einen Kanalbereich. Dadurch ist die Pumpvorrichtung besonders integriert ausgeführt und das Kühlfluid kann zugleich zum Kühlen von rotierenden Teilen der Pumpvorrichtung dienen. Dies kann weiter verbessert sein, indem der einer der Kanalbereiche zwischen Rotor und Stator verläuft und/oder der andere Kanalbereich durch den Rotor hindurch verläuft.
Weiterhin umfasst die Antriebseinheit bei einer vorteilhaften Ausführungsform eine Steuerungs-ZRegelungseinrichtung zum Steuern der elektrischen Maschine mit Stator und Rotor. Die Steuerungs-ZRegelungseinrichtung ist bevorzugt im Trockenbereich der Pumpvorrichtung angeordnet. Die Steuerungs-ZRegelungseinrichtung umfasst eine elektrische Leiterplatte, auf welcher wenigstens ein elektrisches/elektronisches Bauelement angeordnet ist. Diese Bauelemente können beispielsweise Sensoren, Kondensatoren, Spulen, Widerstände, Schalter, insbesondere Halbleiterschalter, sowie integrierte Schaltkreise sein. Weiterhin ist bei dieser Ausführungsform die Sensoreinheit elektrisch mit der Leiterplatte verbunden. Auf diese Weise kann die Steuerung der Sensoreinheit direkt über die Leiterplatte bzw. mithilfe der auf der Leiterplatte angeordneten elektrischen/elektronischen Bauelement erfolgen. Eine separate elektrische Verdrahtung der Sensoreinheit nach außen ist somit nicht erforderlich; vielmehr kann die komplette elektrische Steuerung der Sensoreinheit über besagte Leiterplatte erfolgen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung kann die Sensoreinheit auch auf der Leiterplatte angeordnet sein. Die Sensoreinheit kann damit z.B. als SMD-Bauteil ausgeführt sein. Sensoreinheit und Leiterplatte sind dann Teil einer Leiterplattenanordnung (PCBA). Somit kann die Sensoreinheit im Zuge der Herstellung der Pumpvorrichtung direkt auf der Leiterplatte vormontiert werden bzw. vormontiert sein. Darüber hinaus kann bei dieser Weiterbildung die Bereitstellung von elektrischen Verbindungsleitungen zwischen der Leiterplatte und der Sensoreinheit entfallen, womit sowohl Bauraum- als auch Kostenvorteile einhergehen.
Um eine gute Wärmeleitung sicherzustellen, ist vorzugsweise die Leiterplatte mittels der Wärmeleitschicht mit der Fluidkanalwand, insbesondere unmittelbar, wärmeleitend verbunden. Allgemein bevorzugt sind Fluidkanalwand, Wärmeleitschicht und Leiterplatte übereinander gestapelt.
Elektrische Komponenten einer Leiterplattenanordnung werden allgemein bevorzugt zumindest überwiegend auf einer Seite der Leiterplatte angeordnet, um die Fertigung zu vereinfachen. Vorzugsweise ist deshalb der wenigstens eine Sensor, insbesondere die Sensoreinheit, auf der von dem Fluidkanal wegweisenden Seite der Leiterplatte angeordnet. Dies erlaubt eine bauraumsparende Ausführung und eine einfachere Gestaltung der Leiterplattenanordnung. Bevorzugt sind mehr als 50 %, insbesondere mehr als 85 %, insbesondere sämtliche, aller auf der Leiterplatte angeordneten elektrischen/elektronischen Bauelemente auf der von dem Fluidkanal wegweisenden Seite der Leiterplatte angeordnet. Durch Anordnung möglichst aller Komponenten auf dieser einen von dem Fluidkanal wegweisenden Seite kann die Leiterplatte näher zum Fluidkanal angeordnet sein.
Bei Betreiben der Pumpvorrichtung kann sich die Leiterplatte aufgrund elektrischen Widerstands z.B. von elektrischen/elektronischen Komponenten und Leiterbahnen bzw. integrierten Schaltkreisen der Leiterplatte erwärmen. Dadurch stellt die Leiterplatte bzw. die Leiterplattenanordnung eine Wärmequelle dar. Diese Eigenerwärmung kann die Bestimmung der Messgröße, insbesondere der Fluidtemperatur, beeinflussen. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist deshalb auf der Leiterplatte ein weiterer Temperatursensor zur Erfassung einer Leiterplattentemperatur angeordnet. Die Sensoreinheit und der weitere Temperatursensor sind so beabstandet und wirken so zusammen, dass bei Bestimmen der das Kühlfluid charakterisierenden Messgröße ein Einfluss einer Eigenerwärmung der Leiterplatte auf die Messgröße durch Vergleich mit der durch den weiteren Temperatursensor erfassten Leiterplattentemperatur berücksichtigbar bzw. berücksichtigt ist. Vorteilhafterweise ist eine wärmeleitende Kopplung des weiteren Temperatursensors zum Fluidkanal vernachlässigbar gering gehalten. Besonders bevorzugt ist der weitere Temperatursensor dazu radial bezogen auf eine Drehachse des Rotors überlappungsfrei neben der Fluidkanalwand angeordnet. Insbesondere ist die Leiterplatte auf Höhe des weiteren Temperatursensors durch einen Zwischenraum von der Fluidkanalwand beabstandet. Dieser stellt sicher, dass eine wärmeleitende Kopplung der Leiterplatte mit dem Fluidkanal außerhalb des Ortes, an dem der weitere Temperatursensor angeordnet ist, stattfindet.
Die Eigenerwärmung kann in vorteilhaften Ausführungsformen, insbesondere zusätzlich, auf andere Weise bei Auswertung eines Signals des Sensors der Sensoreinheit zum Bestimmen der Messgröße berücksichtigt werden. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird dazu eine Leistungsaufnahme der Leiterplattenanordnung, d.h. von Leiterplatte und darauf angeordneten elektrischen/elektronischen Bauelementen, von einem Controller auf der Leiterplatte erfasst und ein dazu korrelierender Differenzwert von dem Signal des wenigstens einen Sensors subtrahiert. Ist der Sensor als Temperatursensor ausgeführt, kann somit die Leistungsaufnahme der Leiterplattenanordnung mittels Controller erfasst und ein dazu korrelierender Differenzwert als Differenztemperatur von der durch den Temperatursensor erfassten Signals subtrahiert werden. Dadurch ist die Genauigkeit der Temperaturmessung gegenüber einer Anordnung des Sensors direkt im Kühlfluid weiter angenähert.
Gemäß einer Weiterbildung ist die Leiterplatte, insbesondere unmittelbar, gegen die Fluidkanalwand des Fluidkanals gepresst. Dies verbessert die Wärmeleitung zwischen Fluidkanal und auf der Leiterplatte angeordnetem Temperatursensor. In manchen Ausführungsformen kann dadurch etwa auf eine Wärmeleitschicht verzichtet sein. Gemäß einer Weiterbildung ist der wenigstens eine Sensor der Sensoreinheit auf der zum Fluidkanal weisenden Seite der Leiterplatte angeordnet, was die wärmeleitende Kopplung von Sensor und Fluidkanal verbessert. Zudem ist dadurch eine Anordenbarkeit des Sensors bzw. der Sensoreinheit in der Vertiefung der Fluidkanalwand gewährleistet, was ebenfalls zu einer kompakten Gestaltung beiträgt. Insbesondere ist der Sensor bzw. die Sensoreinheit gegen die Fluidkanalwand gepresst.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung kann die Sensoreinheit mittels wenigstens einer Schneid-Klemm-Verbindung oder mittels wenigstens einer Steckverbindung elektrisch mit der Leiterplatte verbunden sein. Dies erleichtert die Demontage der Sensoreinheit von der Leiterplatte, falls dies erforderlich sein sollte.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung kann die Steuerungs-ZRegelungseinrichtung eine elektrische Spannungsversorgung zum Versorgen der elektrischen Maschine mit elektrischer Energie umfassen. Bei dieser Weiterbildung ist die Sensoreinheit zum Versorgen des wenigstens einen Sensors mit elektrischer Energie elektrisch mit dieser elektrischen Spannungsversorgung verbunden. Somit kann auf die Bereitstellung einer separaten elektrischen Verbindung der Sensoreinheit mit einer solchen Spannungsversorgung verzichtet werden. Vielmehr kann die Sensoreinheit über die elektrische Spannungsversorgung der Steuerungs-ZRegelungseinheit mit elektrischer Energie versorgt werden. Dadurch vereinfacht sich die elektrische Verdrahtung der Sensoreinheit erheblich, womit auch merkliche Kostenvorteile einhergehen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst die Steuerungs- ZRegelungseinrichtung eine Kommunikationseinheit zum Kommunizieren mit einem externen Feldbus, insbesondere mit einem LIN- oder CAN-Bus eines Kraftfahrzeugs. Bei dieser Weiterbildung ist die Sensoreinheit zum Auslesen bzw. Steuern des wenigstens einen Sensors elektrisch oderZund datenübertragend mit dem Controller undZoder der Kommunikationseinheit verbunden. Dies ermöglicht eine flexible Ansteuerung bzw. flexibles Auslesen der Sensoreinheit von außen über besagten Feldbus, ohne dass dafür eine separate Kommunikationseinheit erforderlich wäre.
Vielmehr kann zum Steuern bzw. Auslesen der Sensoreinheit die
Kommunikationseinheit der Steuerungs-ZRegelungseinrichtung mitbenutzt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die einen Sensor gemessene Temperatur und einen durch die Steuerungs-ZRegelungseinrichtung ermittelten Phasenstrom der elektrischen Maschine, sowie insbesondere eine Drehzahl des Pumpenrotors, mittels einer in der Steuerungs-ZRegelungseinrichtung hinterlegten Korrelation von Druck, Temperatur und Phasenstrom, sowie insbesondere Drehzahl, zu verarbeiten, insbesondere in der Steuerungs-ZRegelungseinrichtung zu verarbeiten, zur Berechnung eines Drucks des Kühlfluids. Besonders bevorzugt ist die Pumpvorrichtung ferner dazu eingerichtet, über die Steuerungs- ZRegelungseinrichtung, insbesondere die Kommunikationseinheit zum Kommunizieren mit dem externen Feldbus, Daten zu dem berechneten Druck zu übertragen. Dadurch kann auf Drucksensoren im Fluidkanal verzichtet sein und dennoch ein in der Pumpvorrichtung vorherrschender Druck zumindest überschläglich ermittelt werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Pumpvorrichtung ausgeführt, eine durch den Temperatursensor als wenigstens einen Sensor gemessene Temperatur und eine Drehzahl des Pumpenrotors, sowie insbesondere einen durch die Steuerungs-ZRegelungseinrichtung ermittelten Phasenstrom der elektrischen Maschine, mittels einer in der Steuerungs-ZRegelungseinrichtung hinterlegten Korrelation von Druck, Temperatur und Phasenstrom, sowie insbesondere Drehzahl, zu verarbeiten, insbesondere in der Steuerungs-ZRegelungseinrichtung zu verarbeiten, zur Berechnung eines Massestroms undZoder Volumenstroms des Kühlfluids. Besonders bevorzugt ist die Pumpvorrichtung ferner dazu eingerichtet, über die Steuerungs-ZRegelungseinrichtung, insbesondere die Kommunikationseinheit zum Kommunizieren mit einem externen Feldbus, Daten zu dem berechneten Massestrom bzw. Volumenstrom zu übertragen. Dadurch kann auf Massestromsensoren im Fluidkanal verzichtet sein und dennoch ein Massestrom des Kühlfluids im Fluidkanal zumindest überschläglich ermittelt werden. Im Rahmen der Erfindung liegen jedoch auch Ausführungsformen, bei denen Druck bzw. Masse-/Volumenstrom direkt erfasst werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann die Sensoreinheit mindestens zwei der im Folgenden erläuterten Sensoren aufweisen. Ein solcher Sensor kann ein Drucksensor zum Ermitteln des Fluiddrucks des durch den Fluidkanal geführten Kühlfluids sein. Somit lässt sich genau feststellen, mit welchem Druck das Kühlfluid von der Pumpvorrichtung gefördert wird. Ein weiterer Sensor der Sensoreinheit kann ein Temperatursensor zum Ermitteln der Kühlfluidtemperatur des durch den Fluidkanal geführten Kühlfluids sein. Somit lässt sich die Fluidtemperatur des durch den Fluidkanal geführten Kühlfluids sehr genau bestimmen. Dies erweist sie insbesondere als bedeutsam, wenn das Kühlfluid Abwärme von den zu kühlenden Komponenten aufnehmen soll. Ein weiterer Sensor der Sensoreinheit kann bei dieser Ausführungsform ein Massenstromsensor zum Ermitteln des Massenstroms an Kühlfluid durch den Fluidkanal sein. Auf diese Weise kann die momentane Fördermenge des von der Pumpvorrichtung geförderten Kühlfluids präzise bestimmt werden. Ein weiterer Sensor der Sensoreinheit kann bei dieser Ausführungsform ein elektrischer Leitfähigkeitssensor zum Ermitteln der elektrischen Leitfähigkeit des durch den Fluidkanal geführten Kühlfluids umfassen. Somit lässt sich auch die elektrische Leitfähigkeit des Kühlfluids genau bestimmen. Eine genaue Kenntnis der elektrischen Leitfähigkeit des Kühlfluids kann sich als vorteilhaft erweisen, wenn der Fluidkanal durch Bauteile aus Metall begrenzt wird, da dann das Kühlfluid mit einer zu hohen elektrischen Leitfähigkeit einen elektrischen Kurzschluss verursachen könnte. Denkbar ist aber auch die Verwendung wenigstens einen weiteren Sensors zur Ermittlung eines anderen Messparameters in Kombination mit wenigstens einem der voranstehend vorgestellten Sensoren.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst die Sensoreinheit ein Sensorgehäuse, in oder/und an welchem der wenigstens eine Sensor angeordnet ist. Weiterhin sind bei dieser Weiterbildung zumindest der wenigstens eine Sensor und das Sensorgehäuse als Baueinheit, insbesondere als SMD-Baueinheit, ausgeführt. Diese Ausführungsform baut besonders kompakt und lässt sich auch besonders einfach und platzsparend im Gehäuse der Pumpvorrichtung montieren.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die Antriebswelle als, bevorzugt hohlzylindrische, Hohlwelle ausgebildet, die einen, vorzugsweise zylindrischen, Hohlraum umgibt, welcher einen Teil des Fluidkanals bildet. Der Hohlraum dient so als Durchgang für das Kühlfluid. Der Strömungspfad des Kühlfluids verläuft in dieser Weiterbildung durch die Antriebswelle hindurch. Besonders bevorzugt verläuft einer der Kanalbereiche durch die Hohlwelle hindurch zum Pumpenrotor.
Bei dieser Weiterbildung ist die Sensoreinheit bevorzugt in einer axialen Verlängerung des Hohlraums im Fluidkanal angeordnet. Dadurch ist ein zuverlässiges Anströmen im Bereich der Sensoreinheit sichergestellt.
In einer vorteilhaften Ausführungsform weist der Rotor einen axialen Durchgang zum Pumpenrotor auf. Der Kühlkanal verläuft in der Ausführungsform durch diesen Durchgang. Der Strömungspfad des Kühlfluids kann so durch den Rotor hindurch verlaufen. Besonders bevorzugt verläuft einer der beiden Kanalbereiche durch den Durchgang des Rotors hindurch zum Pumpenrotor. Bevorzugt ist der Durchgang radial zwischen einem Halteabschnitt und einen zum Halteabschnitt radial beabstandeten Magnetabschnitt ausgebildet. Halteabschnitt und Magnetabschnitt sind starr miteinander verbunden, insbesondere durch Umspritzen mit einem Kunststoff. Der Rotor ist mittels des Halteabschnitts an der Antriebswelle befestigt. Der Rotor ist zumindest im Magnetabschnitt permanentmagnetisch ausgeführt, insbesondere dergestalt, dass im Magnetabschnitt zumindest ein Permanentmagnet angeordnet ist. Bei der Weiterbildung bildet der Rotor somit zwischen Magnetabschnitt und Halteabschnitt einen Teil des Fluidkanals aus. Dies ermöglicht eine bessere Integration des Kühlkanals und erlaubt zugleich eine effektive Kühlung des Rotors mittels Kühlfluid.
Die Erfinder haben festgestellt, dass eine hohe Fließgeschwindigkeit des Kühlfluids eine Wärmeübertragung zum Temperatursensor verbessert. Um günstige Fließbedingungen zu erzeugen, kann die Pumpvorrichtung entlang des Fluidkanals eine Fördergeometrie aufweisen, was eine höhere Fließgeschwindigkeit ermöglicht. Die Fördergeometrie wirkt förderwirksam mit Kühlfluid zusammen zum Fördern von Kühlfluid. Gemäß einer Ausführungsform ist zumindest eine Fördergeometrie in der Hohlwelle ausgebildet. Bei Rotation der Hohlwelle wirkt die Fördergeometrie dergestalt mit Kühlfluid zusammen, dass Kühlfluid durch die Hohlwelle hindurch gefördert wird. Entsprechend kann der Rotor in vorteilhaften Ausführungsformen, insbesondere im Durchgang, zumindest eine Fördergeometrie aufweisen. Bei Rotation des Rotors wirkt die Fördergeometrie dergestalt mit Kühlfluid zusammen, dass Kühlfluid durch den Rotor hindurch und/oder an dem Rotor vorbei gefördert wird. Derartige Fördergeometrien sind auch an anderen Bereichen, insbesondere im ersten und/oder zweiten Kanalbereich, des Fluidkanals denkbar.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist eine Dichteinrichtung axial zwischen Pumpenrotor und Rotor angeordnet zur dichtenden Verbindung des Rotors zum Gehäuse. Vorzugsweise ist die Dichteinrichtung als Labyrinthdichtung ausgeführt. Die Dichteinrichtung stellt einen Dichtspalt zwischen Rotor und Gehäuse bereit. Der Dichtspalt gewährleistet zum einen die dichtende Verbindung und lässt zum anderen eine bestimmungsgemäße Relativbewegung des Rotors relativ zum Gehäuse zum Antreiben der Antriebswelle zu. Dazu weist die Dichteinrichtung einen starr, insbesondere integral, mit dem Rotor verbundenen ersten Dichtungsteil und einen starr, insbesondere integral, mit dem Gehäuse verbundenen zweiten Dichtungsteil auf. Zwischen den Dichtungsteilen ist der Dichtspalt gebildet. Die Dichteinrichtung ist bevorzugt zum Vorbeiströmen von Kühlfluid auf beiden Seiten der Dichteinrichtung in jeweils entgegengesetzte Richtung angeordnet. Insbesondere trennt die Dichteinrichtung die beiden Kanalbereiche voneinander. Der Dichtspalt weist bevorzugt eine Spaltbreite von maximal 2 mm, insbesondere maximal 1 mm, und insbesondere zumindest 0,2 mm auf. Da durch den Dichtspalt nur ein vernachlässigbar geringer Anteil an Kühlfluid hindurchdringen kann, ist eine hinreichende Abdichtung gewährleistet. In einer Ausführungsform ist die Dichteinrichtung ausgeführt, den Fluidkanal dergestalt zu begrenzen, dass in Richtung zur Sensoreinheit geführtes Kühlfluid an der Dichteinrichtung vorbei zum Pumpenrotor gelangt. In einer Ausführungsform ist die Dichteinrichtung ausgeführt, den Fluidkanal dergestalt zu begrenzen, dass Kühlfluid an der Dichteinrichtung vorbei in Richtung zur Sensoreinheit geführt ist. Dadurch wird durch den Rotor hindurchströmendes Kühlfluid zuverlässig zum Pumpenrotor geleitet, ohne sich wesentlich mit Kühlfluid anderer Kanalbereiche zu vermischen.
Besonders bevorzugt kann das Gehäuse zumindest zweiteilig, vorzugsweise dreiteilig, mit einem Gehäusehauptkörper, in welchem die Antriebseinheit angeordnet ist, und mit wenigstens einem, vorzugsweise zwei, Gehäusedeckel(n), ausgebildet sein. Bei dieser Variante der wenigstens eine Gehäusedeckel lösbar, vorzugsweise mittels wenigstens einer Schraubverbindung, am Gehäusekörper befestigt. Weiterhin ist bei dieser Variante die Sensoreinheit, vorzugsweise auch die Leiterplatte, fest mit einem Gehäusedeckel verbunden. Somit kann die Sensoreinheit im Zuge der Montage des Gehäusedeckels am Gehäusehauptkörper an der Pumpvorrichtung montiert werden und außerdem die Sensoreinheit am Gehäusedeckel vormontiert werden. Dies vereinfacht den Zusammenbau der Pumpvorrichtung.
Die Erfindung betrifft ferner eine Kühleinrichtung für ein Brennstoffzellensystem eines Kraftfahrzeugs. Die Kühleinrichtung umfasst einen Kühlkreislauf zum Zirkulieren von Kühlfluid, insbesondere von Wasser bzw. Kühlwasser, sowie eine im Kühlkreislauf angeordnete erfindungsgemäße Pumpvorrichtung zum Fördern des Kühlfluids im Kühlkreislauf. Die voranstehend erläuterten Vorteile der erfindungsgemäßen Pumpvorrichtung übertragen sich daher auf die erfindungsgemäße Kühleinrichtung.
Die Erfindung betrifft ferner ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Pumpvorrichtung, wobei das Kraftfahrzeug einen Antriebsstrang mit einer Abwärme erzeugenden Komponente umfasst, die thermisch an die Kühleinrichtung gekoppelt ist, so dass die erzeugte Abwärme auf das im Kühlkreislauf zirkulierende Kühlfluid übertragen werden kann. Die Abwärme erzeugende Komponente kann z.B. ein Elektromotor, ein Verbrennungsmotor oder eine Brennstoffzelle sein. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug kann Merkmale umfassen, die vorstehend im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Pumpvorrichtung beschrieben sind.
Die Erfindung betrifft auch ein Kraftfahrzeug mit einer voranstehend erläuterten, erfindungsgemäßen Kühleinrichtung. Die voranstehend erläuterten Vorteile der erfindungsgemäßen Pumpvorrichtung übertragen sich daher auf das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug. Dieses umfasst gemäß einer Ausführungsform ein Abwärme erzeugendes Brennstoffzellensystem, welches thermisch an die Kühleinrichtung gekoppelt ist, so dass die erzeugte Abwärme auf das im Kühlkreislauf zirkulierende Kühlfluid übertragen werden kann.
Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zum Bestimmen einer Messgröße, insbesondere einer thermodynamischen Messgröße, insbesondere einer Fluidtemperatur, die ein Kühlfluid in einer erfindungsgemäßen Pumpvorrichtung charakterisiert. In dem Verfahren wird das Kühlfluid in einem Fluidkanal in Richtung zu einer Sensoreinheit geführt. Von dem in Richtung zur Sensoreinheit geführten Kühlfluid wird Wärme bzw. thermische Energie durch Anströmen des Fluidkanals und über eine wärmeleitende Kopplung von Fluidkanal und Sensoreinheit zur Sensoreinheit übertragen. Ein Sensor der Sensoreinheit detektiert durch Temperaturmessung die zur Sensoreinheit übertragene thermische Energie, wobei bevorzugt die Sensoreinheit die Messgröße bestimmt. Das in Richtung zur Sensoreinheit geführte Kühlfluid wird von der Sensoreinheit weggeführt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird das Kühlfluid entlang eines Strömungspfads des Kühlfluids auf Höhe des wenigstens einen Sensors der Sensoreinheit umgelenkt, von einem Kanalbereich des Fluidkanals zum Eintritt in einen anderen Kanalbereich des Fluidkanals.
Das Verfahren kann Merkmale aufweisen, die vorstehend im Zusammenhang mit Pumpvorrichtung, Kraftfahrzeug bzw. Kühleinrichtung beschrieben sind. Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale jeweils nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
Es zeigen
Fig. 1 : ein Beispiel einer Pumpvorrichtung nach dem ersten Aspekt der Erfindung in einer Schnittdarstellung;
Fig. 2: eine beispielhafte Ausführungsform einer Pumpvorrichtung nach dem zweiten Aspekt der Erfindung in einer Schnittdarstellung.
Figur 1 zeigt ein Beispiel einer erfindungsgemäßen als Wasserpumpe ausführten Pumpvorrichtung 1 in einer Schnittdarstellung. Die Pumpvorrichtung 1 dient zum Fördern von Kühlfluid W, insbesondere von Wasser, insbesondere von Kühlwasser. Die Pumpvorrichtung 1 umfasst ein Gehäuse 2, in welchem ein von dem zu fördernden Kühlfluid W durchströmbarer Fluidkanal 3 angeordnet ist. Ferner umfasst die Pumpvorrichtung 1 eine im Beispiel gemäß Figur 1 teilweise im Fluidkanal 3 angeordnete elektrische Antriebseinheit 4 zum Antreiben des durch den Fluidkanal 3 geführten Kühlfluids W. Die Antriebseinheit 4 der Pumpvorrichtung 1 weist eine drehbare und im Fluidkanal 3 angeordnete Antriebswelle 7 auf, an welcher drehfest einen als Flügelrad ausgeführten Pumpenrotor 8 zum Fördern von Wasser als Kühlfluid W im Fluidkanal 3 angeordnet ist.
Außerdem umfasst die Pumpvorrichtung 1 der Ausführungsform nach Figur 1 eine zumindest teilweise im Fluidkanal 3 angeordnete elektrische Sensoreinheit 5, die im Beispiel vier Sensoren 6a, 6b, 6c, 6d zum Bestimmen jeweils einer das Kühlfluid W charakterisierenden Messgrößen umfasst. Ein Erster 6a der vier Sensoren 6a-6d ist im Beispiel ein Drucksensor zum Ermitteln des Fluiddrucks des durch den Fluidkanal 3 geführten Kühlfluids W. Somit lässt sich genau feststellen, mit welchem Druck das Kühlfluid W von der Pumpvorrichtung gefördert wird. Ein Zweiter 6b der vier Sensoren 6a-6d der Sensoreinheit 5 ist ein Temperatursensor zum Ermitteln der Fluidtemperatur des durch den Fluidkanal 3 geführten Kühlfluids W. Somit lässt sich die Fluidtemperatur des durch den Fluidkanal 3 geführten Kühlfluids W sehr genau bestimmen. Dies erweist sich insbesondere als bedeutsam, wenn das Kühlfluid W als Kühlwasser fungieren und somit Abwärme von den zu kühlenden Komponenten aufnehmen soll. Ein Dritter 6c der vier Sensoren 6a-6d der Sensoreinheit 5 ist ein Massenstromsensor zum Ermitteln des Massenstroms an Kühlfluid W durch den Fluidkanal 3. Auf diese Weise kann die momentane Fördermenge des von der Pumpvorrichtung geförderten Kühlfluids präzise bestimmt werden. Ein Vierter 6d der vier Sensoren 6a-6d der Sensoreinheit 5 ist ein elektrischer Leitfähigkeitssensor zum Ermitteln der elektrischen Leitfähigkeit des durch den Fluidkanal 3 geführten Kühlfluids W. Somit lässt sich auch die elektrische Leitfähigkeit des Kühlfluids W genau bestimmen. Die genaue Kenntnis der elektrischen Leitfähigkeit des Kühlfluids W kann sich insbesondere als bedeutsam erweisen, wenn der Fluidkanal 3 durch Bauteile aus Metall begrenzt wird, da dann das Kühlfluid W bei einer zu hohen elektrischen Leitfähigkeit einen elektrischen Kurzschluss verursachen könnte.
Zweckmäßig kann die Sensoreinheit 5 mit einem Sensorgehäuse 17 ausgestattet sein, in bzw. an welchem die vier Sensoren 6a-6d angeordnet sind. Weiterhin sind bei dieser Weiterbildung die vier Sensoren 6a-6d und das Sensorgehäuse 17 als Baueinheit ausgeführt. Die Antriebseinheit 4 umfasst eine elektrische Maschine 9 mit einem Stator 10 und mit einem Rotor 11 zum Antreiben der Antriebswelle 7. Die Antriebswelle 7 kann wie in Figur 1 dargestellt als Hohlwelle 18 mit hohlzylindrischer Geometrie ausgebildet sein, die einen zylindrischen Hohlraum 19 umfangsseitig umgibt und axial beidseitig offen ausgebildet ist. Der Hohlraum 19 bildet einen Teil des Fluidkanals 3. Dabei ragt die Sensoreinheit 5 mit den Sensoren 6a-6d im Bereich einer axialen Verlängerung 20 des Hohlraums 19 in den Fluidkanal 3 hinein. Der Stator 10 ist dabei ortsfest zum Gehäuse 2 angeordnet, der Rotor 11 hingegen drehfest mit der Antriebswelle 7 verbunden, sodass im Betrieb der Pumpvorrichtung 1 zwischen Rotor 11 und Stator 10 eine relative Drehbewegung stattfindet. Die Drehbewegung des Rotors 11 erfolgt dabei um eine Drehachse D, die identisch zu einer Mittellängsachse M der Antriebswelle 7 ist. Die Mittellängsachse M erstreckt sich entlang einer axialen Richtung A. Die Antriebswelle 7 kann mittels geeigneter Lagerelemente (nicht gezeigt) drehbar am Gehäuse 2 oder einem anderen, gegenüber dem Gehäuse 2 ortsfesten Bauteil (nicht gezeigt) der Pumpvorrichtung 1 angeordnet sein.
Wie Figur 1 veranschaulicht, kann der Rotor 11 im Fluidkanal 3 angeordnet sein. Der Stator 10 kann in demjenigen Abschnitt des Fluidkanal 3, in welchem der Rotor 11 angeordnet ist, den Fluidkanal 3 begrenzen. Somit kann das durch den Fluidkanal 3 strömende Kühlfluid W sowohl den Stator 10 als auch den Rotor 11 kühlen.
Weiterhin umfasst die Antriebseinheit 4 eine Steuerungs-ZRegelungseinrichtung 12 zum Steuern der elektrischen Maschine 9. Die Steuerungs-ZRegelungseinrichtung 12 umfasst eine elektrische Leiterplatte 13, auf welcher elektrische und elektronische Bauelemente angeordnet sind. Diese Bauelemente können beispielsweise Kondensatoren, Spulen, Widerstände, Schalter, insbesondere Halbleiterschalter, sowie integrierte Schaltkreise (nicht gezeigt) sein. Die Sensoreinheit 5 ist elektrisch mit der Leiterplatte 13 verbunden. Daher kann die elektrische Steuerung der Sensoreinheit 5 und deren Sensoren 6a-6d direkt über die Leiterplatte 13 bzw. mithilfe der auf der Leiterplatte 13 angeordneten elektrischenZelektronischen Bauelement erfolgen. Eine separate Verdrahtung der Sensoreinheit 5 nach außen ist somit nicht erforderlich; vielmehr kann die komplette elektrische Anwendung der Sensoreinheit über die Leiterplatte 13 erfolgen. Die Sensoreinheit 5 ist im Beispielszenario direkt auf der Leiterplatte 13 angeordnet. Somit kann auf Bereitstellung von elektrischen Verbindungsleitungen zwischen der Leiterplatte und der Sensoreinheit verzichtet werden. Die Sensoreinheit 5 kann optional mittels geeigneter Schneid-Klemm- Verbindung sowie mittels geeigneter Steckverbindungen elektrisch mit der Leiterplatte 13 verbunden sein, was eine etwaig erforderliche Demontage der Sensoreinheit 5 von der Leiterplatte 13 vereinfacht.
Im Beispiel umfasst die Steuerungs-ZRegelungseinrichtung 12 eine elektrische Spannungsversorgung 14 zum Versorgen der elektrischen Maschine 9 mit elektrischer Energie. Hierbei ist die Sensoreinheit 5 zum Versorgen des wenigstens einen Sensors 6 mit elektrischer Energie elektrisch mit dieser elektrischen Spannungsversorgung 14 verbunden. Somit kann auf die Bereitstellung einer elektrischen Spannungsversorgung 14 sowie auf die Bereitstellung einer separaten elektrischen Verbindung der Sensoreinheit 5 mit einer solchen Spannungsversorgung verzichtet werden. Stattdessen kann die Sensoreinheit 5 über die elektrische Spannungsversorgung der Steuerung-ZRegelungseinheit 12 mit elektrischer Energie versorgt werden. Dadurch vereinfacht sich die elektrische Verdrahtung der elektrischen Sensoreinheit 5 erheblich, womit auch merkliche Kostenvorteile einhergehen. Außerdem umfasst die Steuerungs-ZRegelungseinrichtung 12 eine Kommunikationseinheit 15 zum Kommunizieren mit einem externen Feldbus (nicht gezeigt), insbesondere einem LIN- oder CAN-Bus eines Kraftfahrzeugs. Dabei ist die Sensoreinheit 5 zum Steuern der vier Sensoren 6a-6d elektrisch und auch datenübertragend mit dieser Kommunikationseinheit 15 verbunden ist. Dies ermöglicht eine flexible Ansteuerung der Sensoreinheit 5 von außen, insbesondere über besagten Feldbus, ohne dass dafür eine separate Kommunikationseinheit erforderlich wäre. Stattdessen kann zum Steuern der Sensoreinheit 5 die Kommunikationseinheit 15 der Steuerungs-ZRegelungseinrichtung 12 verwendet werden.
Im Beispiel der Figur 1 ist das Gehäuse 2 dreiteilig mit einem Gehäusehauptkörper 2a, in welchem die Antriebseinheit 4 angeordnet ist, und mit zwei sich einander gegenüberliegenden Gehäusedeckeln 2b, 2c, ausgebildet, wobei der Gehäusehauptkörper 2a wie gezeigt sandwichartig zwischen den beiden Gehäusedecken 2b, 2c angeordnet sein kann. Die beiden Gehäusedeckel 2b, 2c sind jeweils mittels Schraubverbindungen 16 lösbar am Gehäusehauptkörper 2a befestigt. Die Sensoreinheit 5 und auch die Leiterplatte 13 sind jeweils fest mit einem Ersten 2b der beiden Gehäusedeckel 2b, 2c verbunden. Somit kann die Sensoreinheit 5 im Zuge der Montage der Pumpvorrichtung 1 montiert am ersten Gehäusedeckel 2b vormontiert werden. Dies erleichtert den Zusammenbau der Pumpvorrichtung 1.
Figur 2 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer Pumpvorrichtung 1 nach dem zweiten Aspekt der Erfindung in einer schematischen Längsschnitt-Darstellung. Da die Ausführungsform von Figur 2 bezüglich vieler Merkmale mit der Ausführungsform gemäß Figur 1 übereinstimmt, wird bezüglich übereinstimmender Merkmale auf die vorstehende Beschreibung verwiesen und nachfolgend ergänzt. Die Pumpvorrichtung 1 in Figur 2 dient zum Fördern von Öl als Kühlfluid W. Die Pumpvorrichtung 1 weist ein Gehäuse 2 mit Gehäusedeckeln 2a, 2c und Gehäusehauptkörper 2b auf, in dem ein Fluidkanal 3 mit mehreren Kanalbereichen 3a, 3b zwischen einem Stator 10 und einem Rotor 11 einer elektrischen Maschine 9 sowie durch einen axialen Durchgang des Rotors 11 zu einem Pumpenrotor 8 verläuft. Pumpenrotor 8 und Rotor 11 sind durch eine Antriebswelle 7 drehfest verbunden. Die Pumpvorrichtung 1 ist durch einen Spalttopf 23 in einen Nassbereich und in einen Trockenbereich unterteilt. Im Trockenbereich sind Stator 10 und elektrische/elektronische Komponenten angeordnet. Im Nassbereich verläuft der Fluidkanal 3 und ist der Rotor 11 angeordnet.
Der Durchgang des Rotors 8 ist radial zwischen einem Halteabschnitt 111 und einem Magnetabschnitt 112 ausgebildet. Der Halteabschnitt 111 dient der Befestigung des Rotors an der Antriebswelle 7. Der Magnetabschnitt 112 ist permanentmagnetisch ausgeführt und enthält Permanentmagnete.
Axial zwischen Pumpenrotor 8 und Rotor 11 ist eine als Labyrinthdichtung ausgeführte Dichteinrichtung 21 angeordnet zur Abdichtung eines Bereichs zwischen Rotors 11 und Gehäuse 2, durch den andernfalls Kühlfluid W strömen würde. Die Dichteinrichtung 21 stellt einen Dichtspalt 22 bereit, durch den nur ein vernachlässigbar geringer Anteil an Kühlfluid W hindurchdringen kann. Dadurch wird durch den Rotor 11 hindurchströmendes Kühlfluid W zuverlässig zum Pumpenrotor 8 geleitet, ohne sich wesentlich mit Kühlfluid W anderer Kanalbereiche zu vermischen.
Anders als bei der beispielhaften Ausführungsform von Figur 1 ist die Antriebswelle 7 als Vollwelle ausgeführt. Anstelle des Hohlraums einer Hohlwelle als Teil des Fluidkanals ist der Rotor 11 mit dem axialen Durchgang zwischen Halteabschnitt 111 und einem Magnetabschnitt 112 versehen, durch den Kühlfluid W hindurchströmen kann. Der Durchgang ist Teil des Fluidkanals 3. Im Rahmen der Erfindung liegen jedoch auch Ausführungsformen mit Hohlwelle, sodass der Fluidkanal, insbesondere zusätzlich zum Durchgang durch den Rotor 11 , durch die Hohlwelle hindurch zum Pumpenrotor 8 verlaufen kann.
Im Ausführungsbeispiel nach Figur 2 ist die Pumpvorrichtung als Gerotorpumpe ausgeführt. Der Pumpenrotor 8 ist somit als, insbesondere mehrstufiger, Gerotor ausgeführt. Die einzelnen Gerotorstufen sind in der schematischen Darstellung nicht gezeigt. Mehrstufige Gerotorpumpen sind bekannt und beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung DE 10 2021 214 256 A1 oder der internationalen Patentanmeldung WO 00/42321 A1 beschrieben.
Der Strömungspfad des Kühlfluids W durch einen Kanalbereich 3a zwischen Rotor 11 und Stator 10 ist mit Pfeilen angedeutet. Die Pumpvorrichtung ist im Bereich von Rotor 11 und Stator 10 im Wesentlichen rotationssymmetrisch ausgeführt, sodass selbstverständlich zu beiden gezeigten Seiten der Drehachse D Kühlfluid durch den Rotor 11 hindurchströmen kann. Der im Bereich des Pumpenrotor 8 gezeichnete Punkt verdeutlicht die Förderung des Kühlfluids W im Pumpenrotor 8 senkrecht zur Drehachse des Pumpenrotors 8 von einer Saugseite zu einer Druckseite. Kühlfluid im Pumpenrotor wird von der Saugseite zur Druckseite verdichtet. Von der Erfindung allgemein sind selbstverständlich auch Ausführungsformen umfasst, bei denen der Strömungspfad des Kühlfluids umgekehrt, d.h. Saug- und Druckseite vertauscht sind. In solchen Ausführungsformen strömt das Kühlfluid von der Druckseite aus durch den Rotor 11 bzw. die Antriebswelle 7 hindurch.
Der Spalttopf 23 bildet an seinem Topfboden eine Fluidkanalwand 3c aus. Die Fluidkanalwand 3c wird durch das Kühlfluid W entlang des Strömungspfads angeströmt, wenn Kühlfluid W durch den Fluidkanal 3 gefördert wird. Dadurch erfolgt eine gute Wärmeübertragung von dem Kühlfluid auf den Fluidkanal 3 bzw. dessen Fluidkanalwand 3c.
Die Pumpvorrichtung 1 umfasst ferner eine Sensoreinheit 5. Diese ist auf einer vom Kühlkanal 3 wegweisenden Seite einer Leiterplatte 13 einer Steuerungs- /Regelungseinrichtung 12 der Pumpvorrichtung 1 angeordnet. Die Sensoreinheit 5 weist einen als Temperatursensor 61 ausgeführten Sensor 6 auf. Beabstandet dazu ist auf der Leiterplatte 13 ein weiterer Temperatursensor 62 angeordnet. Der weitere Temperatursensor 62 ist bevorzugt so angeordnet, dass ein durch Wärmeleitung übertragener Wärmestrom von dem Fluidkanal 3 zum weiteren Temperatursensor 62 maximal 30 % eines Wärmestroms von dem Fluidkanal 3 zum Sensor 6 der Sensoreinheit beträgt. Dadurch erfasst der weitere Temperatursensor 62 vorwiegend eine mit der bezogenen elektrischen Leistung korrelierende Eigenerwärmung der Leiterplatte 13. Der Temperatursensor 61 der Sensoreinheit 5 dient hingegen zum Bestimmen der Fluidtemperatur des Kühlfluids W und ist dazu zum Fluidkanal 5 wärmeleitend gekoppelt.
Zwischen Leiterplatte 13 und Fluidkanal 3 bzw. Spalttopf 23 bzw. Fluidkanalwand 3c ist ein Gap-Filler als Wärmeleitschicht 24 in Kontakt mit Fluidkanal 3 und Leiterplatte 13 angeordnet. Diese Wärmeleitschicht 24 stellt eine gute Wärmeleitung zwischen Fluidkanal und Leiterplatte 13 sicher, wobei der Sensor 6 als Temperatursensor über die Leiterplatte 13 und die Wärmeleitschicht 24 mit dem Fluidkanal 3 wärmeleitend gekoppelt ist.
Die Wärmeleitschicht 24 erstreckt sich über den gesamten Spalttopfboden hinweg.
Die Leiterplatte 13 erstreckt sich radial über Fluidkanalwand 3c und Wärmeleitschicht 24 hinaus. Fluidkanalwand 3c, Wärmeleitschicht 24 und Leiterplatte 13 sind über den gesamten Bereich, in dem sie jeweils überlappen, wärmeleitend verbunden.
Eine Qualität der Wärmeübertragung des Kühlfluids auf den Fluidkanal 5 respektive den Sensor 6 ist maßgeblich verbessert, wenn sichergestellt ist, dass Kühlfluid W durchgehend die Fluidkanalwand 3c anströmt. Sensor 6 bzw. Sensoreinheit 5 und Fluidkanal 3 sind daher bezüglich ihrer Anordnung abgestimmt. Durch Kanalbereich 3a in Richtung zur Sensoreinheit 5 geführtes Kühlfluid W strömt gegen die Fluidkanalwand 3c unter Wärmeübertragung auf die Fluidkanalwand 3c und wird von dieser so umgelenkt, dass das Kühlfluid W durch Kanalbereich 3b hindurch von der Sensoreinheit 5 bzw. Sensor 6 weggeführt wird. Der Sensor 6 ist dabei auf Höhe der Stelle angeordnet, an der die Umlenkung erfolgt, sodass ein möglichst kurzer Weg zur Wärmeübertragung von Fluidkanal 3 auf Sensor 6 durch Wärmeleitung gegeben ist.
Bezugszeichenliste
1 Pumpvorrichtung
2 Gehäuse
2a Gehäusehauptkörper
2b, 2c Gehäusedeckel
3 Fluidkanal
3a, 3b Kanalbereich
3c Fluidkanalwand
4 Antriebseinheit
5 Sensoreinheit
6 Sensor
6a erster Sensor 6b zweiter Sensor
6c dritter Sensor
6d vierter Sensor
7 Antriebswelle
8 Pumpenrotor
9 elektrische Maschine
10 Stator
Rotor
12 Steuerungs-ZRegelungseinrichtung
13 Leiterplatte
14 Spannungsversorgung
15 Kommunikationseinheit
16 Schraubverbindung
17 Sensorgehäuse
18 Hohlwelle
19 Hohlraum
20 axiale Verlängerung
21 Dichteinrichtung
22 Dichtspalt
23 Spalttopf
24 Wärmeleitschicht
61 Temperatursensor
62 Temperaturfühler
Halteabschnitt
112 Magnetabschnitt
A axiale Richtung
D Drehachse
M Mittellängsachse
W Kühlfluid

Claims

Patentansprüche Pumpvorrichtung (1) für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für eine Kühleinrichtung eines Brennstoffzellensystems, und zum Fördern von Kühlfluid (W), insbesondere von Kühlwasser und/oder Öl,
- mit einem Gehäuse
(2), in welchem ein von dem zu fördernden Kühlfluid (W) durchströmbarer Fluidkanal
(3) angeordnet ist,
- mit einer Antriebseinheit
(4) zum Antreiben des durch den Fluidkanal (3) geführten Kühlfluids (W),
- mit einer elektrischen Sensoreinheit (5), die wenigstens einen Sensor (6) zum Bestimmen wenigstens einer das Kühlfluid (W) charakterisierenden Messgröße, insbesondere einer Fluidtemperatur, umfasst, wobei die Sensoreinheit
(5) zumindest teilweise im Fluidkanal (3), angeordnet ist, vorzugsweise in den Fluidkanal (3) hineinragt, und/oder der wenigstens eine Sensor
(6) der Sensoreinheit (5) als Temperatursensor (61) ausgeführt ist, außerhalb des Fluidkanals (3) angeordnet ist, und mit dem Fluidkanal (3), insbesondere einer Fluidkanalwand (3c), wärmeleitend gekoppelt ist. Pumpvorrichtung (1) nach Anspruch 1 , wobei
- die Antriebseinheit (4) eine drehbare Antriebswelle (7) mit einem Pumpenrotor (8), insbesondere einem Flügelrad, zum Fördern des Kühlfluids (W) im Fluidkanal (3) sowie eine elektrische Maschine (9) mit einem Stator (10) und mit einem Rotor (11 ) zum Antreiben der Antriebswelle
(7) mit dem Pumpenrotor
(8), insbesondere dem Flügelrad, umfasst,
- die Antriebseinheit (4) außerdem eine Steuerungs-ZRegelungseinrichtung (12) zum Steuern der elektrischen Maschine
(9) umfasst, wobei die Steuerungs- /Regelungseinrichtung (12) eine elektrische Leiterplatte (13) aufweist, auf welcher wenigstens ein elektrisches/elektronisches Bauelement angeordnet ist, die Sensoreinheit (5) elektrisch mit der Leiterplatte (13) verbunden ist. Pumpvorrichtung (1 ) nach Anspruch 2, wobei die Sensoreinheit (5) auf der Leiterplatte (13) angeordnet ist, wobei insbesondere der Temperatursensor (61 ) über die Leiterplatte (13) mit dem Fluidkanal (3) wärmeleitend gekoppelt ist. Pumpvorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 2 bis 3, wobei die Pumpvorrichtung (1) einen Spalttopf (23) aufweist, der einen Trockenbereich, in dem der Stator
(10) der elektrischen Maschine (9) angeordnet ist, von einem Nassbereich, in dem der Rotor (11) der elektrischen Maschine (9) angeordnet ist und in dem der Fluidkanal (3) verläuft, fluiddicht trennt, wobei insbesondere die Fluidkanalwand (31 ) zumindest abschnittsweise durch den Spalttopf (23) gebildet ist. Pumpvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Fluidkanal (3) zwei entlang eines Strömungspfads des Kühlfluids (W) nacheinander angeordnete Kanalbereiche (3a, 3b) aufweist, von denen ein Kanalbereich (3a, 3b) ausgeführt ist, Kühlfluid in Richtung zur Sensoreinheit (5) zu führen und der andere Kanalbereich (3a, 3b) ausgeführt ist, in Richtung zur Sensoreinheit (5) geführtes Kühlfluid (W) von der Sensoreinheit (5) weg zu führen, wobei insbesondere der Fluidkanal (3) ausgeführt ist, Kühlfluid (W) entlang des Strömungspfads auf Höhe des wenigstens einen Sensors (6) der Sensoreinheit (5) umzulenken von einen der Kanalbereiche (3a, 3b) zum Eintritt in den anderen der Kanalbereiche (3a, 3b). Pumpvorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche 2 bis 5, wobei der Rotor (11 ) einen axialen Durchgang zum Pumpenrotor (8) aufweist und/oder die Pumpvorrichtung (1 ) eine Dichteinrichtung (21) umfasst, die axial zwischen Pumpenrotor (8) und Rotor (11) angeordnet ist zur dichtenden Verbindung von Rotor (11) und Gehäuse (2), wobei die Dichteinrichtung (21 ) einen Dichtspalt zwischen Rotor und Gehäuse bereitstellt, der zwischen einem mit dem Rotor verbundenen ersten Dichtungsteil und einen mit dem Gehäuse verbundenen zweiten Dichtungsteil gebildet ist. Pumpvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei auf der Leiterplatte (13) ein weiterer Temperatursensor (62) zur Erfassung einer Leiterplattentemperatur angeordnet ist, wobei die Sensoreinheit (5) und der weitere Temperatursensor (62) so beabstandet sind und Zusammenwirken, dass bei Bestimmen der das Kühlfluid (W) charakterisierenden Messgröße, insbesondere der Fluidtemperatur, ein Einfluss einer Eigenerwärmung der Leiterplatte auf die Messgröße durch Vergleich mit der durch den weiteren Temperatursensor erfassten Leiterplattentemperatur berücksichtigbar ist. Pumpvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei
- die Steuerungs-ZRegelungseinrichtung (12) eine elektrische Spannungsversorgung (14) zum Versorgen der elektrischen Maschine (9) mit elektrischer Energie umfasst,
- die Sensoreinheit (12) zum Versorgen des wenigstens einen Sensors (6) mit elektrischer Energie elektrisch mit dieser elektrischen Spannungsversorgung (14) verbunden ist. Pumpvorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 2 bis 8, wobei die Steuerungs-ZRegelungseinrichtung (12) eine Kommunikationseinheit (15) zum Kommunizieren mit einem externen Feldbus, insbesondere einem LIN- oder CAN-Bus eines Kraftfahrzeugs, umfasst, die Sensoreinheit (5) zum Steuern des wenigstens einen Sensors (6) elektrisch oderZund datenübertragend mit dieser Kommunikationseinheit (15) verbunden ist. Pumpvorrichtung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die
Sensoreinheit (5) wenigstens zwei der folgenden Sensoren umfasst, nämlich einen Drucksensor zum Ermitteln des Fluiddrucks des durch den Fluidkanal (3) geführten Kühlfluids (W), einen Temperatursensor, insbesondere den Temperatursensor, zum Ermitteln der Fluidtemperatur des durch den Fluidkanal (3) geführten Kühlfluids (W), ein Massenstromsensor zum Ermitteln des Massenstroms an Kühlfluid (W) durch den Fluidkanal (3), und/oder einen Leitfähigkeitssensor zum Ermitteln der elektrischen Leitfähigkeit des durch den Fluidkanal geführten Kühlfluids (W).
11. Pumpvorrichtung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sensoreinheit (5) ein Sensorgehäuse (17) umfasst, in oder/und an welchem der wenigstens eine Sensor (6a, 6b, 6c, 6d) angeordnet ist, zumindest der wenigstens eine Sensor (6a, 6b, 6c, 6d) und das Sensorgehäuse (17) als Baueinheit ausgeführt sind.
12. Pumpvorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 2 bis 11 , wobei die Antriebswelle (7) als, bevorzugt hohlzylindrische, Hohlwelle (18) ausgebildet ist, die einen, vorzugsweise zylindrischen, Hohlraum (19) umgibt, welcher einen Teil des Fluidkanals (3) bildet, die Sensoreinheit (5) in einer axialen Verlängerung (20) des Hohlraums (19) im Fluidkanal (3) angeordnet ist.
13. Wasserpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse (2) zumindest zweiteilig, vorzugsweise dreiteilig, mit einem Gehäusehauptkörper (2a), in welchem die Antriebseinheit (4) angeordnet ist, und wenigstens einem, vorzugsweise zwei, Gehäusedeckel(n) (2b, 2c), ausgebildet ist, der/die lösbar, vorzugsweise mittels wenigstens einer Schraubverbindung (16), lösbar am Gehäusehauptkörper (2a) befestigt ist, die Sensoreinheit (5), vorzugsweise auch die Leiterplatte (13), fest mit einem Gehäusedeckel (2b) verbunden ist. . Kraftfahrzeug , umfassend
- eine Kühleinrichtung mit einem Kühlkreislauf zum Zirkulieren von Kühlfluid (W),
- eine im Kühlkreislauf angeordnete Pumpvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Fördern des Kühlfluids (W) im Kühlkreislauf, wobei das Kraftfahrzeug ferner einen Antriebsstrang mit Abwärme erzeugenden Komponenten umfasst, die thermisch an den Kühlkreislauf gekoppelt sind zur Übertragung erzeugter Abwärme auf das im Kühlkreislauf zirkulierende Kühlfluid. Verfahren zum Bestimmen einer Messgröße, insbesondere einer Fluidtemperatur, die ein Kühlfluid (W) in einer Pumpvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 13 charakterisiert, wobei
- das Kühlfluid (W) in einem Fluidkanal (3) in Richtung zu einer Sensoreinheit (5) geführt wird,
- Wärme des in Richtung zur Sensoreinheit (5) geführten Kühlfluids (W) durch Anströmen des Fluidkanals (3) und über wärmeleitende Kopplung von Fluidkanal (3) und Sensoreinheit (5) zur Sensoreinheit (5) übertragen wird,
- ein Sensor (6) der Sensoreinheit (5) die zur Sensoreinheit (5) übertragene Wärme detektiert und insbesondere die Sensoreinheit (5) die Messgröße bestimmt, und
- das in Richtung zur Sensoreinheit (5) geführte Kühlfluid (W) von der Sensoreinheit (5) weggeführt wird, wobei insbesondere
- das Kühlfluid (W) entlang eines Strömungspfads des Kühlfluids (W) auf Höhe des wenigstens einen Sensors (6) der Sensoreinheit (5) umgelenkt wird von einem Kanalbereich (3a, 3b) des Fluidkanals (5) zum Eintritt in einen anderen Kanalbereich (3a, 3b) des Fluidkanals (5).
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