WO2019101471A1 - Kühlmittelpumpe mit anwendungsoptimiertem aufbau und verbessertem wärmehaushalt - Google Patents

Abstract

Eine elektrische Kühlmittelpumpe, vorzugsweise zur Verwendung als Zusatzwasserpumpe in einem Fahrzeug, zeichnet sich dadurch aus, dass eine radiale Lagerung der Welle (4) mittels eines kühlmittelgeschmierten radialen Gleitlagers (41) bei dem Trennelement (12) bereitgestellt ist, das zwischen dem Pumpenlaufrad (2) und dem Rotor (32) angeordnet ist; ein trockenlaufender Elektromotor (3) mit einem radial inneren Stator (31) und einem radial äußeren Rotor (32) in der Motorkammer (13) aufgenommen ist; eine Wellendichtung (5) zwischen dem radialen Gleitlager (41) und der Motorkammer (13) angeordnet ist; der Rotor (32) in einer Topfform ausgebildet ist, deren Innenfläche zur Wellendichtung (5) zugewandt sowie mit dieser axial überschneidend auf der Welle (4) fixiert ist; die Motorkammer (13) eine Öffnung zur Atmosphäre aufweist, die durch eine flüssigkeitsdichte und dampfdurchlässige Druckausgleichsmembran (6) verschlossen ist; das Trennelement (12) als Trägerflansch mit einem Trennabschnitt (12a) und einem axialen Vorsprung (12b) in die Motorkammer (13), auf welchem der Stator (31) angebracht ist, ausgebildet ist; und die Steuereinheit (18) in axialer Richtung zwischen dem Trennelement (12) und dem Stator (31) angeordnet ist.

Description

Beschreibung

Kühlmittelpumpe mit anwendungsoptimiertem Aufbau und verbessertem

W ärmehaushalt

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Kühlmittelpumpe, deren Aufbau durch eine Kombination aus einer Lagerung, Abdichtung und Elektromotor in Bezug auf Kosten, Bauraum und Lebensdauer auf das Anwendungsgebiet einer Zusatzwasserpumpe optimiert ist, und welche einen verbesserten Wärmehaushalt und eine vereinfachte Kon- taktierung bzw. Verdrahtung zwischen den einzelnen elektrischen Komponenten der Kühlmittelpumpe aufweist.

Derartige elektrische Zusatzwasserpumpen werden zur Zirkulation von Teilbereichen eines kühlmittelführenden Thermomanagementsystems eines Fahrzeugs verwen- det, das mit einer V erbrennungsmaschine und einer Hauptwasserpumpe ausgestattet ist, um sogenannte Hotspots an Komponenten von Hilfseinrichtungen, wie an einer Abgas- rückführung, an einem Turbolader, an einer Ladeluftkühlung oder dergleichen flexibler zu kühlen. Aufgrund der Redundanz zur Hauptwasserpumpe und der erhöhten Anzahl von Leitungen und Knotenpunkten bestehen für die Gattung solcher Zusatzwasser- pumpen ein hoher Preisdruck sowie hohe Anforderungen an eine kompakte Bauform mit geringen Abmessungen zur Integration in einem komplexen Packaging moderner Ther- momanagementsysteme.

In bislang etablierten Produkten von elektrischen Zusatzwasserpumpen werden, u.a. aufgrund der einfacheren Abdichtung in dem relativ kleinen Pumpenaufbau, Nass- läufer-Elektromotoren vom Innenläufertyp eingesetzt. Der Einsatz von Nassläufer- Elektromotoren, an denen typischerweise der Stator durch ein Spaltrohr oder dergleichen gegenüber dem Rotor trocken abgekapselt ist und der Rotor sowie eine Lagerung auf einen Betrieb im Fördermedium ausgelegt sind, stellen eine bekannte Maßnahme dar, um der Problemstellung einer Leckage an einer W ellendichtung und einem Defekt einer Wel- lenlagerung zu begegnen. Nassläufer weisen jedoch einen schlechteren Wirkungsgrad auf, da der Spalt zwischen dem Stator und dem Rotor zur Aufnahme eines Spaltrohrs größer ausfällt und eine auf den Rotor wirkende Feldstärke hierdurch abgeschwächt wird. Zudem tritt an dem Rotor Flüssigkeitsreibung auf, wodurch gerade bei den verhältnismäßig klein dimensio- nierten Pumpenantrieben von Zusatzwasserpumpen der Wirkungsgrad weiter abnimmt. Darüber hinaus treten an Nassläufem Probleme bei tiefen Temperaturen, wie Eisbildung im Spalt zwischen dem Stator und dem Rotor auf.

An größeren Pumpen wie den elektrischen Hauptwasserpumpen werden aufgrund des besseren Wirkungsgrads auch Trockenläufer-Elektromotoren eingesetzt. Zur La- gerung von Pumpenwellen, die von einem Trockenläufer-Elektromotor angetrieben wer- den, kommen überwiegend Wälzkörperlager, wie z.B. Kugellager zum Einsatz, die so wohl axiale und radiale Belastungen aufhehmen und geringe Reibwerte erzielen.

Allerdings sind W älzkörperlager im Allgemeinen empfindlich gegen eindringende Feuchtigkeit, da die verwendeten Materialen, insbesondere geeignete Stähle von Wälz- körpem, für die Anwendung in Feuchtigkeit nicht ausreichend korrosionsbeständig sind. Ein Eintreten von Feuchtigkeit fuhrt durch Korrosion zur Herabsetzung der Oberflächen- güte der Wälzkörper und Laufbahnen, was in einer höheren Reibung des Lagers sowie entsprechender Wärmeentwicklung und weiteren Folgeschäden an Lagern und Dichtungen resultiert. Infolgedessen müssen die ohnehin kostenintensiven W älzkörperlager in Pumpen an beiden Stirnseiten mit nochmals kostenintensiven Dichtungen versehen werden, die eine reibungsarme und zuverlässige Abdichtung gegen die auftretenden Arbeitsdrücke in der Pumpenkammer sicherstellen.

Neben dem Kostennachteil verursachen entsprechende Dichtungen stets eine geringe Leckage und stellen oftmals den begrenzenden Faktor der Lebensdauer einer Pumpe dar, da sie per se dem Reibungsverschleiß und einer Versprödung durch Druck- und Temperaturschwankung unterliegen. Aus der Patentanmeldung DE 10 2015 114 783 B3 derselben Anmelderin ist eine zur Verwendung als Hauptwasserpumpe ausgelegte elektrische Kühlmittelpumpe be- kannt, bei der die Pumpenwelle durch ein einziges sogenanntes W asserpumpenlager mit zwei W älzkörperreihen zwischen dem Pumpenlaufrad und dem Elektromotor gelagert ist. Um dem Problem eines Leckageeintritts in das Lager und zu dahinterliegenden elektronischen Bauteilen eines Trockenläufer-Elektromotors zu begegnen, ist in dem Pumpen- gehäuse eine Leckagekammer zwischen einer Wellendichtung und dem Wasserpumpenlager vorgesehen, in welcher eine Leckage aufgefangen und abgefuhrt werden kann ohne mit dem Wasserpumpenlager in Kontakt zu gelangen. Eine dahinter liegende Leckagedichtung verhindert wiederum, dass eine aufgefangene, abzuführende Leckage in einen Gehäuseabschnitt eintritt, in dem die Motorkomponenten und eine Elektronik aufgenommen sind. Würde eine Leckage aus dem Leckageraum direkt in den Gehäuseabschnitt des Motors gelangen, so würde durch die B etriebstemperatur des Motors Wasserdampf aus dem Gehäuseabschnitt in entgegengesetzter Richtung an der nicht abgedichteten, ungeschützten Seite des Wasserpumpenlagers in das Lager eindringen und dieses auf Dauer zerstören.

Die Bereitstellung eines derartigen Leckageraums zwischen Pumpenkammer und Antrieb bringt den Nachteil des zusätzlichen Bauraums mit sich, der die axiale Abmessung des Pumpenaufbaus erhöht.

Ferner sind der Einsatz und die Montage der Wellendichtung und der Leckagedichtung mit Kosten verbunden, die für Produkte einer Zusatzwasserpumpe keine Akzeptanz fanden. Um das Risiko zu minimieren, dass das Wasserpumpenlager durch eindringenden Wasserdampf Schaden nimmt, wäre ferner der Einsatz und die Montage einer weiteren Lagerdichtung auf der ungeschützten Seite des Wasserpumpenlagers erforderlich.

Aus einer gattungsfemen Anwendung ist außerdem eine Umwälzpumpe für Heizungsanlagen aus der P atentanmeldung WO 2015/011268 Al bekannt, die wiederum von einem Nassläufer-Elektromotor angetrieben wird. Die Pumpenwelle ist durch eine radiale Gleitlagerung und ein dahinter angeordnetes Axiallager mit einer Wellendichtung gelagert. Die Gleitlagerung wird durch eine Zuführung innerhalb der Pumpenwelle mit dem Fördermedium geschmiert. Ein axial dahinter anschließender Rotorraum ist durch eine Membran mit einer statischen Dichtungsfunktion zu einem Aufhahmeraum des Stators hin abgetrennt. Auf die Problemstellung der Leckage an der Wellendichtung wird in der Offen- barung nicht eingegangen. Als kritischer Fall wird jedoch ein Durchschleifen der Memb- ran genannt, der zu einem Flüssigkeitseintritt in den elektrischen Abschnitt des Auf- nahmeraums führt, und durch einen Filter in der Zuführung der Schmierung vermieden werden soll.

Bei herkömmlichen elektrischen Kühlmittelpumpen können zudem Betriebszu- stände auftreten, in welchen wärmeerzeugende Elemente, wie eine Steuereinheit bzw. Platine oder der Stator des Elektromotors, nicht ausreichend gekühlt werden, und die Verdrahtung zwischen der Steuereinheit bzw. der Elektronik und dem Elektromotor ist auf- grund der Anordnungspositionen dieser Elemente häufig schwierig und anfällig für Schä- den durch dynamische Belastungen.

So offenbart die JP 2017 - 110 593 A eine elektrische Kühlmittelpumpe, bei wel- cher die Platine und der Stator auf axial entgegengesetzten Seiten einer Motorkammer angeordnet sind. Dadurch wird die Verdrahtung dieser Elemente schwierig und aufgrund der räumlichen Distanz anfällig für Schäden durch eine dynamische Belastung im Betrieb. Zudem erschwert die Anordnung des Stators in einer nahezu gekapselten Art und Weise zwischen einem Gehäuseabschnitt und einem Rotor einerseits und einem Paar von Magneten und einem weiteren Rotor andererseits die Wärmeabfuhr desselben.

Auch die DE 10 2015 213 201 Al beschreibt eine Kühlmittelpumpe, bei welcher die Wärmeableitung von dem Stator aufgrund seiner Anordnung in der Motorkammer am Pumpengehäuse unzureichend sein kann, da das Pumpengehäuse bei einem dichten Packaging im Einbauraum der Kühlmittelpumpe durch Nebenaggregate erwärmt werden kann und die Wärmeabfuhr von dem Stator somit unzureichend sein kann. Basierend auf den Problemstellungen des diskutierten Stands der Technik, besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, einen einfachen, kostengünstigen und kompakten Pumpenaufbau für einen Trockenläufer-Elektromotor zu schaffen.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht darin, einen Pumpenaufbau zu schaffen, bei dem ein Leckageraum zwischen einer Wellendichtung und dem Trockenläufer-Elekt- romotor zugunsten eines kürzeren axialen Aufbaus der Pumpe entfallen kann.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht darin, eine kostengünstige und langlebige Alternative in Bezug auf die Lagerung und die Abdichtung einer Welle zu schaffen.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht darin, eine verbesserte Kühlung der Steuereinheit und des Stators vorzusehen.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht darin, eine einfache und robuste Kontaktierung bzw. Verdrahtung zwischen der Steuereinheit und dem Stator vorzusehen.

Die Aufgaben werden erfindungsgemäß durch eine elektrische Kühlmittelpumpe nach dem Anspruch 1 gelöst.

Die elektrische Kühlmittelpumpe zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass eine radiale Lagerung der Welle mittels eines kühlmittelgeschmierten radialen Gleitlagers bei einem Trennelement zwischen einer Pumpenkammer und einer durch ein Motorgehäuse gebildeten Motorkammer in dem Pumpengehäuse bereitgestellt ist, das zwischen dem Pumpenlaufrad und einem Rotor eines trockenlaufenden Elektromotors angeordnet ist; der Elektromotor mit einem radial inneren Stator und einem radial äußeren Rotor in der Motorkammer aufgenommen ist; eine Wellendichtung zwischen dem radialen Gleitlager und der Motorkammer angeordnet ist; der Rotor in einer Topfform ausgebildet ist, deren Innenfläche zur Wellendichtung zugewandt sowie mit dieser axial überschneidend auf der Welle fixiert ist; die Motorkammer eine Öffnung zur Atmosphäre aufweist, die durch eine flüssigkeitsdichte und dampfdurchlässige Druckausgleichsmembran verschlossen ist; das Trennelement als Trägerflansch mit einem Trennabschnitt und einem axialen Vor- sprung in die Motorkammer, auf welchem der Stator angebracht ist, ausgebildet ist; und die Steuereinheit in axialer Richtung zwischen dem Trennelement und dem Stator ange- ordnet ist.

Der Erfindung in ihrer allgemeinsten Form liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch die erfindungsgemäße Auswahl, Kombination und Anordnung der einzelnen Kom- ponenten der Pumpe, eine sich ergänzende Wirkungskette aus einer Druckminderung zur Begrenzung einer Leckage an einer Wellendichtung, einer optimalen Verdampfung einer Leckage und einer Abfuhr einer verdampften Leckage, unter Ausnutzung von Betriebs- bedingungen in der Pumpe, sowie eine effektive W ärmeableitung von der Steuereinheit bzw. Platine und dem Stator über das Trennelement hin zu dem Fördermedium erzielt wird, wodurch darüber hinaus die den Aufgabenstellungen entsprechenden Vorteile kon- struktiver und wirtschaftlicher Art verschafft werden.

Die Erfindung sieht erstmals vor, für einen Trockenläufer-Elektromotor einen druckverminderten Bereich für eine Wellendichtung vor einem Fördermedium zu schaffen, der axial hinter einem durch das Fördermedium geschmierten Gleitlager gebildet wird. Durch einen geringeren Druck des Fördermediums im Vergleich zu einer entspre- chenden Dichtungsfläche innerhalb der Pumpenkammer, fällt eine Leckage, die an der Wellendichtung hindurch tritt, geringer aus.

Ferner sieht die Erfindung erstmals vor, hinter der Wellendichtung einen Trocken- läufer-Elektromotor vom Außenläufertyp mit einem topfformigen Rotor zu verwenden, dessen, vorzugsweise geschlossene, Innenfläche der Wellendichtung zugewandt ist. So- mit werden Flüssigkeitstropfen einer Leckage hinter der Wellendichtung durch radiale Beschleunigung an der Innenfläche des Rotors zwangsweise durch den Luftspalt des Tro- ckenläufers zwischen den offenen Feldspulen des Stators und den magnetischen Polen des Rotors hindurch geführt, bevor sie in eine Motorkammer mit Elektronik gelangen können. Dabei werden die Leckagetropfen durch die Betriebstemperatur des Elektromo- tors und durch eine turbulente Verwirbelung im Luftspalt verdampft. Der entstehende Wasserdampf gelangt erst danach in die Motorkammer und entweicht durch eine Memb- ran in die Atmosphäre. Dadurch kann auf eine Kapselung des Stators und die damit ver- bundene Nachteile des Wirkungsgrads eines Elektromotors vom Nassläufertyp verzichtet werden.

Des Weiteren wird unter dem Einsatz eines Trockenläufers eine Alternative zur Verwendung von kostenintensiven W älzkörperlagem und einer jeweils beidseitigen Abdichtung derselben geschaffen.

Infolgedessen entfallt der Nachteil einer begrenzten Lebensdauer jeder Lagerdich- tung, der selbst bei aufwendigen Dichtungstypen stets vorliegt, sodass eine längere Le- bensdauer der Zusatzwasserpumpe ohne Defekt der Wellenlagerung zu erwarten ist.

Zugleich wird durch den Wegfall von W ellendichtungen und Motordichtungen oder einem Spalttopf erfindungsgemäß ein Pumpenaufbau mit weniger Bauteilen und günstigen Gleitlagern ermöglicht.

Schließlich wird erfindungsgemäß ein kompakter Pumpenaufbau mit geringer axi- aler Abmessung erzielt, in dem trotz Wegfalls eines Leckageraums eine dauerhaft sichere B etriebsumgebung für einen Trockenläufer im Pumpengehäuse bereitgestellt ist.

Darüber hinaus sieht die Erfindung erstmals vor, einen Stator in Kontakt mit einem als Trennelement zwischen Pumpenkammer und Motorkammer dienenden Trägerflansch anzuordnen und die Steuereinheit bzw. Platine in axialer Richtung zwischen dem Trenn- element und dem Stator anzuordnen, wodurch der Stator und die Steuereinheit durch eine Wärmeableitung über das Trennelement hin zu dem Fördermedium effektiv gekühlt wer- den können. Aufgrund der räumlichen Nähe zwischen der Steuereinheit und dem Stator wird zudem die Kontaktierung bzw. Verdrahtung zwischen der Steuereinheit und dem Stator vereinfacht und es kann eine robuste Verdrahtung vorgesehen werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Zusatzwasserpumpe sind Gegenstand der abhän- gigen Ansprüche. Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann zwischen der Steuereinheit und dem Trennelement ein Füllmaterial als Gap-Filler eingebracht sein.

Dadurch kann der thermische Widerstand zwischen der Steuereinheit und dem Trennelement durch den zwischen diesen Elementen vorhandenen Luftspalt verringert werden und die Wärmeableitung von dem Stator und der Steuereinheit über das Trenn- element hin zu dem Fördermedium kann somit noch wirkungsvoller erfolgen, da das Füllmaterial eine höhere W ärmeleitfähigkeit als Luft besitzt.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann das Trennelement in axialer Richtung zumindest teilweise in einem Pumpendeckel des Pumpengehäuses aufgenommen sein.

Hierdurch kann die Anzahl von Schnittstellen zwischen den einzelnen Elementen des Pumpengehäuses reduziert und somit die Abdichtung der Pumpe vereinfacht werden. Zudem kann das Trennelement in radialer Richtung auf einfache Art und Weise und exakt positioniert werden.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann eine axiale Lagerung der Welle durch ein axiales Gleitlager bereitgestellt sein, das in einer Strömungsrichtung des Kühlmittels vor dem Pumpenlaufrad angeordnet ist.

Hierdurch wird auch eine axiale Last an der Welle durch eine Gleitlagerung aufgenommen, wodurch im Einklang mit der Aufgabenstellung der Erfindung eine einfache, kostengünstige Wellenlagerung bereitgestellt wird, die ausschließlich aus zwei durch das Kühlmittel geschmierten Gleitlagern besteht.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann das axiale Gleitlager durch ein freies Ende der Welle und eine Anlauffläche an dem Pumpengehäuse, vorzugsweise an einem Pumpendeckel gebildet werden. Während des Betriebs erzeugt das Pumpenlaufrad eine Schubkraft in Richtung des Saugstutzens bzw. Einlasses der Pumpe. Durch eine stimseitige Gleitfläche der Welle und eine entsprechende gehäuseseitige Anlauffläche wird ein besonders einfaches jedoch ausreichendes Axiallager ohne notwendige axiale Fixierung in entgegengesetzter Rich- tung bereitgestellt. Dadurch können der Aufbau und die Montage weiter vereinfacht wer- den.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann die Wellendichtung wenigstens zwei Dichtlippen zur dynamischen Abdichtung auf dem Wellenumfang aufweisen, die zumin- dest zu einer axialen Seite dichtungswirksam ausgerichtet sind.

Durch eine doppellippige Wellendichtung wird ein günstiger und ausreichender Leckageschutz hinter dem axialen Gleitlager bereitgestellt, der im Vergleich zu Gleitringdichtungen eine erheblich bessere Abdichtung erzielt und lediglich eine geringe An- Sammlungen von Leckagetropfen passieren lässt. Eine Abdichtung in entgegengesetzter Richtung, wie bei einem Pumpenaufbau mit einem trockenen Wälzlager, kann aufgrund des nasslaufenden Gleitlagers entfallen.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann das Trennelement wenigstens einen Schmierungskanal aufweisen, der die Pumpenkammer mit einem hinteren, der Pumpen- kammer gegenüberliegendem Ende des radialen Gleitlagers verbindet.

Durch eine oder mehrere Verbindungen von dem vorderen und dem hinteren axia- len Ende des Gleitlagers zu der Pumpenkammer kann zur Schmierung des Gleitlagers nicht nur eine einseitige statische Beaufschlagung mit Fördermittel bis zur Sättigung des Lagerspalts, sondern eine kontinuierliche Zirkulation von Fördermittel im Lagerspalt be- reitgestellt werden. Dadurch werden eine gleichmäßigere Druckverteilung des Fördernd t- tels im Lagerspalt sowie ein Abtransport von Partikeln durch Abrieb der Lagerflächen zugunsten einer besseren Schmierung bzw. geringeren Reibung erzielt.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann dem wenigstens einen Schmierungskanal wenigstens ein Filter zugeordnet sein. Insofern durch die Gestaltung der Strömungswege eine Zirkulationsrichtung vorge- sehen ist, bei der das Fördermedium zunächst durch einen S chmierungskanal und an- schließend durch den Lagerspalt strömt, verhindert ein Filter in jedem Schmierungskanal oder ein Filter für alle S chmierungskanäle, dass partikelförmige V erunreinigungen in den Lagerspalt oder zu der Wellendichtung gelangen. Durch die Beschaffenheit und Dicke des Filters kann ein geeigneter Druckabfall eingestellt werden, der im Vergleich zur Pum- penkammer in einem druckverminderten Bereich resultiert, der die Wellendichtung ent- lastet und dennoch eine ausreichende Zirkulation durch den Lagerspalt sicherstellt.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann der Stator des Elektromotors in axialer Überschneidung mit dem wenigstens einen Schmierungskanal angeordnet sein.

Durch eine Anordnung eines oder insbesondere mehrerer radial verteilter Schmie- rungskanäle benachbart zum Stator des Elektromotors, wird im Betrieb eine Verlustleistung der Feldspulen des Stators durch einen Wärmeübergang im Pumpengehäuse auf das in den Schmierungskanälen zirkulierende Fördermittel übertragen und zum Förderstrom in der Pumpenkammer abgeführt. Diese vorteilhafte Wirkung ist auch noch bei geringen T emperaturdifferenzen zwischen einer hohen Kühlmitteltemperatur und einer stets noch höheren Temperatur der Spulenwicklungen nutzbar.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die Zeichnung in Fig. 1 beschrieben.

Wie der axialen Schnittansicht in Fig. 1 zu entnehmen ist, umfasst ein Pumpenge- häuse 1 auf einer links dargestellten Seite einen Ansaugstutzen 16 und einen Druckstutzen 17, die in eine Pumpenkammer 10 münden. Der Ansaugstutzen 16 dient als Pumpenein- lass, der in Form eines separaten Pumpendeckels 11 auf ein offenes axiales Ende des Pumpengehäuses 10 aufgesetzt ist und auf eine Stirnseite eines Pumpenlaufrads 2 zu führt, das auf einer Welle 4 fixiert ist. Der Umfang der Pumpenkammer 10 ist von einem Spiralgehäuse umgeben, das tangential in einen Druckstutzen 17 überleitet, der einen Pumpenauslass bildet. Das Pumpenlaufrad 2 ist ein bekanntes Radialpumpenflügelrad mit einer an den Ansaugstutzen angrenzenden zentralen Öffnung. Der Förderstrom, der das Pumpenlauf- rad 2 durch den Ansaugstutzen 16 anströmt, wird durch die innenliegende Flügel radial nach außen in das Spiralgehäuse der Pumpenkammer 10 beschleunigt und ausgeleitet.

Auf einer rechts dargestellten Seite umfasst das Pumpengehäuse 1 einen als Motorkammer 13 bezeichneten Hohlraum, der durch ein als Trägerflansch ausgebildetes Trenn- element 12 von der Pumpenkammer 10 abgetrennt ist.

Der Trägerflansch 12 ist aus einem Material mit einer hohen W ärmeleitfähigkeit, wie beispielsweise Metall, hergestellt, um eine gute Wärmeübertragung zwischen der Motorkammer 13 und der Pumpenkammer 10 bzw. eine gute Wärmeableitung von der Motorkammer 13 hin zu dem Fördermedium in der Pumpenkammer 10 zu ermöglichen. Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Trägerflansch 12 aus einer Alu- miniumlegierung hergestellt. Der Trägerflansch 12 besitzt einen Trennabschnitt l2a, welcher die Abtrennung zwischen der Motorkammer 13 und der Pumpenkammer 10 vor- sieht, und einen Vorsprung bzw. Vorsprungabschnitt l2b, auf welchem der Stator 31 angebracht bzw. fixiert ist.

Wie in Fig. 1 gezeigt ist, umgreift der Pumpendeckel 11 den Trennabschnitt l2a des Trägerflansches 12 auf einer Außenumfangsseite des Trägerflansches 12, so dass der Trennabschnitt l2a des Trägerflansches 12 in der axialen Richtung zumindest teilweise in dem Pumpendeckel 11 aufgenommen ist. Zwischen dem Trägerflansch 12 und dem Pumpendeckel 11 ist ein Dichtelement, wie beispielsweise ein O-Ring, angeordnet, um eine Leckage des Fördermediums in der Pumpenkammer 10 zu verhindern. Wie in Fig, 1 gezeigt, ist das Dichtelement bei dem vorliegenden Ausfuhrungsbeispiel auf einer Außenumfangsfläche des Trennabschnitts l2a des Trägerflansches 12 angeordnet, das Dichtelement kann beispielsweise jedoch auch an der in der axialen Richtung dem Pum- pendeckel 11 zugewandten Seitenfläche des Trennabschnitts l2a angeordnet sein. Die vorstehend beschriebene Konfiguration ermöglicht eine einfache und exakte Positionie- rung des Trägerflansches 12 in der radialen Richtung und zudem einen vereinfachten Aufbau und eine vereinfachte Abdichtung des Pumpengehäuses 1 , da der gesamte Trenn- abschnitt l2a des Trägerflansches 12 radial innerhalb des V erbindungsabschnitts zwi- schen dem Pumpendeckel 11 und dem Motorgehäuse 17 liegt und somit im Vergleich zu einem Fall, in welchem der Pumpendeckel 11 über den Trennabschnitt l2a mit dem Motorgehäuse 17 verbunden ist, weniger Gehäuseschnittstellen vorliegen.

In der Motorkammer 13 ist ein bürstenloser Elektromotor 3 vom Außenläufertyp aufgenommen. Ein Stator 31 mit Feldspulen des Elektromotors 3 ist um den Vorsprungabschnitt l2a des Trägerflansches 12 herum, welcher beispielsweise eine zylindrische Gestalt besitzt, fixiert, so dass der Stator 31 mit dem Vorsprungabschnitt l2a in Kontakt steht. Hierdurch ist eine sehr gute Wärmeableitung von dem Stator 31 in der Motorkammer 13 über den Trägerflansch 12 hin zu dem Fördermedium in der Pumpenkammer 10 gewährleistet. Ein Rotor 32 mit permanentmagnetischen Rotorpolen ist um den Stator 31 drehbar auf der Welle 4 fixiert

Fig. 1 zeigt, dass eine Steuereinheit bzw. Platine 18 der Pumpe einschließlich einer Leistungselektronik des Elektromotors 3 in axialer Richtung zwischen dem Trennab- schnitt l2a des Trägerflansches 12 und dem Stator 31 angeordnet ist. Durch die räumliche Nähe zwischen der Platine 18 und dem Trägerflansch 12 einerseits und dem Stator 31 und der Platine 18 andererseits wird eine gute Wärmeableitung von der Platine 18 über den Trägerflansch 12 hin zu dem Fördermedium ermöglicht und es werden gute Voraussetzungen für eine einfache und robuste Kontaktierung bzw. Verdrahtung zwischen der Platine 18 und dem Elektromotor 3 geschaffen.

In dem Luftspalt zwischen dem Trennabschnitt l2a und der Platine 18 ist ein Füllmaterial, wie ein Gap-Filler, mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit angeordnet, so dass die W ärmeübertragung von der Platine 18 hin zu dem Fördermedium in der Pumpenkammer 10 weiter verbessert werden kann.

Der Elektromotor 3 ist ein Trockenläufertyp, dessen Feldspulen ungekapselt bzw. offen am Luftspalt zum Rotor 32 zur Motorkammer 13 ffeiliegen. Der Rotor 32 weist eine für einen Außenläufer typische Topfform auf, die auf dem rechts dargestellten freien Ende der Welle 4 sitzt und die permanentmagnetischen Rotorpole in dem axialen Bereich des Stators 31 trägt. Für einen Rotorkörper untypisch, enthält der Rotor 32 jedoch vor- zugsweise keine Durchbrüche in einem radial erstreckenden Abschnitt, wie es herkömmlicher Weise zur Verringerung der beschleunigten Masse an rotierenden Tragkörpem üb- lich ist. Somit bildet der topfförmige Rotor 32 vorzugsweise eine geschlossene Innenseite aus, die nur auf der linken Seite zur Aufnahme des Stators 31 geöffnet ist.

Die Welle 4, die sich zwischen der Pumpenkammer 10 und der Motorkammer 13 erstreckt, ist durch ein radiales Gleitlager 41 in dem Trägerflansch 12 radial gelagert. Die Gleitflächen am Wellenumfang und am Lagersitz des Gleitlagers 41 werden durch das von der Zusatzwasserpumpe geförderte Kühlmittel geschmiert, das in den Lagerspalt zwi- schen den Gleitflächen eindringt, wie später beschrieben wird.

Zudem ist die Welle 4 an dem linken freien Ende axial gelagert. Das axiale Gleit- lager 42 kommt durch eine Gleitflächenpaarung zwischen der Stirnseite der Welle 4 und einer Anlauffläche zustande, die durch einen Vorsprung bzw. eine Strebe im Ansaug- stutzen 16 vor dem Pumpenlaufrad 2 entsprechend positioniert am Pumpendeckel 11 be- reitgestellt ist. Im Betrieb schiebt das Pumpenlaufrad 2 die Welle 4 durch eine Saug- wirkung in Richtung des Ansaugstutzens 16 gegen die Anlauffläche, so dass eine axiale Lastaufnahme der Wellenlagerung in dieser einen Richtung ausreicht. Da ein Lagerspalt zwischen den Gleitflächen von dem Förderstrom umgeben ist, wird auch das axiale Gleit- lager 42 mit Kühlmittel geschmiert, zumindest in Form einer anfänglichen und unter Vibrationen oder Turbulenzen erneuten Benetzung der Gleitflächen durch das Kühlmittel.

Zwischen dem radialen Gleitlager 41 und der Motorkammer 13 ist eine Wellen- dichtung 5 angeordnet, die ein offenes Ende des V orsprungabschnitts l2b des Trägerflan- sches 12 zur Welle 4 abdichtet. Die Wellendichtung 5 ist eine doppellippige Dichtung, die in den V orsprungabschnitt l2b des Trägerflansches 12 eingepresst ist, und zwei hin- tereinander liegende, in Richtung zum radialen Gleitlager 41 gerichtete Dichtlippen (nicht dargestellt) zur einseitigen dynamischen Abdichtung auf dem Wellenumfang aufweist. In der Wand des Vorsprungabschnitts l2b des Trägerflansches 12 ist ferner ein Schmierungskanal 14 eingebracht, der einerseits auf einer Rückseite des Pumpenlauffads 2 in die Pumpenkammer 10 mündet und andererseits zu einem ringförmigen Hohlraum führt, der die Welle 4 zwischen dem hinteren Ende des radialen Gleitlagers 41 und der Wellendichtung 5 umgibt. Im Betrieb strömt Kühlmittel aus der Pumpenkammer 10 durch den Schmierungskanal 14 zur Welle 4 und dringt, durch die Wellendichtung 5 abgegrenzt, in den Lagerspalt zwischen dem Wellenumfang und dem Lagersitz des radialen Gleitla- gers 41 ein, so dass es in der entgegengesetzter Richtung zurück strömt. Die axiale Zir- kulation des Kühlmittels in Kombination mit der Rotationsbewegung zwischen den Gleit- flächen stellt eine gleichmäßige Verteilung und Schmierung des Lagerspalts mit dem Kühlmittel sicher. Das Kühlmittel enthält ein Frostschutzadditiv mit reibungsvermindem- der Eigenschaft, wie z.B. einem Glykol, Silikat oder dergleichen. Gleichzeitig werden Partikel aus einem Abrieb der Gleitflächenpaarung zur Pumpenkammer und in den För- derstrom abtransportiert. Bei dem Ausfiihrungsbeispiel in Fig. 1 ist lediglich ein Schmie- rungskanal 14 vorgesehen, es können jedoch eine Mehrzahl solcher Schmierungskanäle 14 in dem Vorsprungabschnitt 12a des Trägerflansches 12 vorgesehen sein.

Andererseits ist im Bereich der Mündung des Schmierungskanals 14 zu der Pum- penkammer 10 ein Filter 15 angeordnet, der partikelförmige V erunreinigungen, wie me tallischen Abrieb oder dergleichen daran hindert, aus dem Förder ström in den Lagerspalt des radialen Gleitlagers 41 oder in den Dichtungsspalt der Wellendichtung 5 gespült zu werden. Wenn das Kühlmittel durch den Schmierungskanal 14 und das radiale Gleitlager 41 zirkuliert, wirkt in dem ringförmigen Hohlraum zwischen dem radialen Gleitlager 41 und der Wellendichtung 5 aufgrund eines Strömungswiderstands des Filters 15 ein ver- minderter Druck im Vergleich zu der Pumpenkammer 10. Der verminderte Druck, der neben der Beschaffenheit des Filters auch durch die Anzahl und den Strömungsquer- schnitt des Schmierungskanals 14 eingestellt wird, schwächt zwar die Zirkulation durch das radiale Gleitlager, er entlastet jedoch auch die Wellendichtung 5, woraus eine längere Lebensdauer der Dichtungslippen durch geringere Reibung und eine kleinere Leckage resultieren. Die kleine unvermeidbare Leckage, die aus der Zirkulation des S chmierungskanals 14 die Wellendichtung 5 im Laufe der Zeit tropfenweise passiert, gelangt jedoch nicht direkt mit den Feldspulen oder der Motorelektronik in der Motorkammer 13 in Kontakt. Im Betrieb gelangen die Leckagetropfen hinter der Wellendichtung 5 zur Innenfläche des rotierenden Rotors 32 und werden durch die Fliehkraft radial nach außen getragen. Durch Verwirbelungen an den Rotorpolen bzw. Permanentmagneten und durch die Betriebstem- peratur, die aus der Verlustleistung an den Feldspulen resultiert, verdampfen die Leckage- tropfen im Luftspalt zwischen dem Stator 31 und dem Rotor 32, ohne auf dem radial innenliegenden Stator 32 eine Benetzung in flüssiger Phase, d.h. eine korrosive Ein- wirkung ausüben zu können.

Durch die geschlossene Topfform des Rotors 32 können die Leckagetropfen nicht in axialer Richtung in den Motorraum 13 gelangen, sondern werden an der Innenfläche des Rotors 32 aufgefangen und zur Verdampfung dem Luftspalt zugeführt. Um ein Volumen des Luftspalts gering zu halten, ist dieser zu den Umfängen des Stators 32 kom- plementär ausgebildet. Durch die Anordnung der Steuereinheit 18 zwischen dem Trägerflansch 12 und dem Stator 31 ist diese vor den Leckagetropfen bzw. der verdampften Leckage geschützt.

Der Übergang von Leckagetropfen von der flüssigen in die gasförmige Phase geht mit einer V olumenzunahme einher, die im Falle eines abgeschlossenen Volumens der Motorkammer 13 zu einer Druckerhöhung fuhren würde, unabhängig von einer Druck- schwankung die aufgrund von T emperaturschwankungen zwischen Betrieb und Stillstand der Pumpe entstünde.

Allerdings ist zwischen der Motorkammer 13 und der umgebenden Atmosphäre eine Membran 6 vorgesehen, welche in der Motorkammer 13 an dem topfförmigen Motorgehäuse 17 angebracht ist. Die Membran 6 ist bei diesem Ausführungsbeispiel bei einem radial mittleren Abschnitt einer in der axialen Richtung dem Rotor zugewandten Innenfläche des Motorgehäuses 17 angeklebt und ermöglicht einen Ausgleich von Druck- schwankungen aus der Motorkammer 13 zur Atmosphäre. Dadurch kann eine kosten- günstige und großflächige Klebemembran an einer geschützten Stelle verwendet werden. Das Motorgehäuse 17 weist in diesem Bereich eine durchlässige bzw. offenporige Struk- tur auf, welche derart ausgebildet ist, dass die Membran 6 bei Hochdruckstrahltests aus- reichend geschützt ist und nicht beschädigt wird. Die Membran 6 ist in Bezug auf eine Wasserdurchlässigkeit semipermeable, d.h. sie lässt Wasser in flüssiger Phase nicht pas- sieren, wohingegen eine mit Feuchtigkeit beladene Luft bis zu einer Grenze in Bezug auf eine Tröpfchengröße bzw. einer an der Membranoberfläche agglomerierenden Tröpfchendichte hindurch diffundieren kann. Somit kann bei einer V olumenausdehnung durch Verdampfung in der Motorkammer 13, eine mit Feuchtigkeit beladene warme Luft die Membran 6 passieren, sodass verdampfte Leckagetropfen effektiv in die Atmosphäre aus- getragen werden. In entgegengesetzter Richtung schützt die Membran 6 wiederum vor einem Eindringen von Spritzwasser oder dergleichen im Fährbetrieb des Fahrzeugs.

An der Oberseite des Pumpengehäuses 1 ist ferner ein Stecker zur externen Leis- tungsversorgung angeordnet.

Neben der dargestellten und beschriebenen Ausführungsform kann die Erfindung auch durch alternative Ausgestaltungen mit zusätzlichen Merkmalen oder unter Verzicht von beschriebenen Merkmalen umgesetzt werden. Wie den Erläuterungen zur Lösung der Aufgabenstellung entnehmbar ist, kann die Pumpe ebenso ohne Schmierungskanäle 14 und Filter 15, oder mit einer anderen axialen Lagerung als dem Gleitlager 42 im Bereich des Ansaugstutzens 16, oder mit einer anderen Wellendichtung 5 als derjenigen mit zwei Dichtlippen realisiert werden. In einem Fall, in dem keine S chmierungskanäle 14 vorgesehen sind, kann zumindest noch eine über den Lagerspalt einstellbare statische Schmierung des Lagerspalts des radialen Gleitlagers 41 durch den Betriebsdruck aus der Pum- penkammer 10 genutzt werden, wobei hinter dem radialen Gleitlager 41 wiederum ein verminderter Druck im Vergleich zur Pumpenkammer 10 auf die Wellendichtung 5 wirkt.

Claims

Ansprüche

1. Elektrische Kühlmittelpumpe zum Fördern von Kühlmittel in einem Fahrzeug, auf- weisend: ein Pumpengehäuse (1) mit einer Pumpenkammer (10), in der ein Pumpenlaufrad (2) drehbar aufgenommen ist, einem Einlass (16) und einem Auslass (17), die mit der Pumpenkammer (10) verbunden sind; ein Trennelement (12) zwischen der Pumpenkammer (10) und einer durch ein Motorgehäuse (17) gebildeten Motorkammer (13) in dem Pumpengehäuse (1); eine Welle (4), auf der das Pumpenlaufrad (2) fixiert ist; eine Steuereinheit (18), welche in der Motorkammer (13) angeordnet ist; dadurch gekennzeichnet, dass eine radiale Lagerung der Welle (4) mittels eines kühlmittelgeschmierten radialen

Gleitlagers (41) bei dem Trennelement (12) bereitgestellt ist, das zwischen dem Pumpenlaufrad

(2) und dem Rotor (32) angeordnet ist; ein trockenlaufender Elektromotor

(3) mit einem radial inneren Stator (31) und einem radial äußeren Rotor (32) in der Motorkammer (13) aufgenommen ist; eine Wellendichtung (5) zwischen dem radialen Gleitlager (41) und der Motor- kammer (13) angeordnet ist; der Rotor (32) in einer Topfform ausgebildet ist, deren Innenfläche zur Wellendichtung (5) zugewandt sowie mit dieser axial überschneidend auf der Welle (4) fixiert ist; die Motorkammer (13) eine Öffnung zur Atmosphäre aufweist, die durch eine flüs- sigkeitsdichte und dampfdurchlässige Druckausgleichsmembran (6) verschlossen ist; das Trennelement (12) als Trägerflansch mit einem Trennabschnitt (l2a) und einem axialen Vorsprung (l2b) in die Motorkammer (13), auf welchem der Stator (31) angebracht ist, ausgebildet ist; und die Steuereinheit (18) in axialer Richtung zwischen dem Trennelement (12) und dem Stator (31) angeordnet ist.

Elektrische Kühlmittelpumpe nach Anspruch 1 , wobei zwischen der Steuereinheit (18) und dem Trennelement (12) ein Füllmaterial als Gap-Filler eingebracht ist.

Elektrische Kühlmittelpumpe nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Trennelement (12) in axialer Richtung zumindest teilweise in einem Pumpen- deckel (11) des Pumpengehäuses (1) aufgenommen ist.

Elektrische Kühlmittelpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei eine axiale Lagerung der Welle

(4) durch ein axiales Gleitlager bereitgestellt ist, das in einer Strömungsrichtung des Kühlmittels vor dem Pumpenlaufrad (2) ange- ordnet ist.

5. Elektrische Kühlmittelpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das axiale Gleitlager (42) durch ein freies Ende der Welle (4) und eine Anlauffläche an dem Pumpengehäuse (1), vorzugsweise einem Pumpendeckel (11) gebildet wird.

6. Elektrische Kühlmittelpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Wellendichtung (5) wenigstens zwei Dichtlippen zur dynamischen Abdichtung auf dem Wellenumfang aufweist, die zumindest zu einer axialen Seite dichtungs- wirksam ausgerichtet sind.

7. Elektrische Kühlmittelpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Trennelement (12) wenigstens einen S chmierungskanal (14) aufweist, der die Pumpenkammer (10) mit einem hinteren, der Pumpenkammer (10) gegenüber- liegendem Ende des radialen Gleitlagers (41) verbindet.

8. Elektrische Kühlmittelpumpe nach Anspruch 7, wobei dem wenigstens einen S chmierungskanal (14) wenigstens ein Filter (15) zugeordnet ist.

9. Elektrische Kühlmittelpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Stator (31) des Elektromotors (3) in axialer Überschneidung mit dem wenigstens einen Schmierungskanal (14) angeordnet ist.

10. Verwendung einer elektrischen Kühlmittelpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 9 als Zusatzwasserpumpe in einem kühlmittelführenden System in einem Fahrzeug mit einer V erbrennungsmaschine und einer Hauptwasserpumpe.