Die Erfindung betrifft eine Pumpe, insbesondere für
Kühlwasser eines Kraftfahrzeugs. Im
Automobilbereich wird die Abwärme des Verbrennungsmotors zum
Beispiel durch Verbesserung des Wirkungsgrads
verringert. Die Verbrennungswärme wird sowohl über den
Wärmetauscher für den Innenraum als auch über den
Kühlergrill geleitet, so daß es beim Kaltstart im
Winter in der Fahrgastzelle nur relativ langsam
warm wird. Um den Komfort zu erhöhen, werden
zunehmend elektrisch betriebene Zusatzwasserpumpen
eingesetzt, um gezielter den Innenraum aufheizen zu
können.
Eine derartige Pumpe mit einem in einer Pumpkammer
drehbar gelagerten Flügelrad, einer
Erregeranordnung zum Drehantreiben des Flügelrads und einer
Steuerschaltung für die Erregeranordnung ist aus
DE 44 11 960 A1 bekannt. Bei dieser bekannten Pumpe
sind die Erregeranordnung und die Steuerschaltung
in einer gemeinsamen, im wesentlichen
zylinderförmigen Kammer untergebracht, die gegen die
Pumpkammer hermetisch dicht ist und in diese eingreift.
Das Flügelrad ist fest mit einem ringförmigen Rotor
verbunden, der sich in einem ringförmigen Teil der
Pumpkammer um die Erregeranordnung herum erstreckt.
Bei dieser Konstruktion kann Abwärme von der
Erregeranordnung in die Pumpflüssigkeit nur durch die
Wand der Pumpkammer und das die Pumpkammer in
axialer Richtung überdeckende Flügelrad abfließen.
Wärmefluß in radialer Richtung ist nur durch zwei
Wände und den Rotor hindurch möglich. Die auf einer
Leiterplatte montierte Steuerschaltung ist der
Albwärme jedoch direkt ausgesetzt. Die maximale
Einsatztemperatur dieser Pumpe ist somit durch die
beschränkte Temperaturbeständigkeit des Materials der
Leiterplatte und/oder die Erweichungstemperatur des
Lots festgelegt, das zur Montage der Komponenten
der Steuerschaltung auf der Leiterplatte dient.
Bei der Montage der Pumpe ist es erforderlich, die
Erregeranordnung und die Leiterplatte mit der
Steuerschaltung durch eine rückwärtige Öffnung in die
entsprechende Kammer einzuschieben und dann die
Öffnung mit einem Deckel zu verschließen, an dem
ein Stecker für die Versorgungskontakte der
Steuerschaltung angeformt ist. Ein elektrischer Kontakt
zwischen dem Stecker und der Steuerschaltung kommt
daher mit Hilfe von Stiften zustande, die auf der
Leiterplatte montiert sind und bei der Anbringung
des Deckels in eine am Deckel angebrachte Buchse
eingeschoben werden. Die Anbringung der Buchsen an
den Stiften erfolgt blind, es ist deshalb schwer
möglich, schlechte Kontakte, bei denen Stift und
Buchse nicht wie gewünscht ineinandergreifen, zu
erkennen und zu korrigieren. Die Qualität eines
solchen Einsteckkontakts kann nachlassen, wenn er
starken Temperaturwechseln oder hohen Temperaturen
ausgesetzt ist.
Es wird damit gerechnet, daß demnächst in der
Kraftfahrzeugtechnik Bedarf nach Kühlwasserpumpen
bestehen wird, die in der Lage sind,
Dauereinsatztemperaturen von 130 bis 140°C auszuhalten. Dies
ergibt sich nicht nur dadurch, daß höhere
Kühlwasserdrücke und -siedetemperaturen vorgesehen werden,
sondern auch deshalb, weil bei fortschreitender
Miniaturisierung der in Kraftfahrzeugen eingebauten
Hilfsaggregate, zu denen auch eine Kühlwasserpumpe
gehört, die Leistungsdichte dieser Aggregate
wächst, und somit die Betriebstemperatur der
Aggregate aufgrund von Eigenerwärmung zunimmt.
Für solche Betriebsbedingungen geeignete
Leiterplatten und Lote sind jedoch kostspielig.
Vorteile der Erfindung
Gemäß der Erfindung wird eine Pumpenkonstruktion
mit den eingangs genannten Merkmalen vorgeschlagen,
bei der die Steuerschaltung und die
Erregeranordnung durch die Pumpkammer thermisch voneinander
getrennt sind. Bei einer solchen Anordnung wird die
Abwärme der Erregeranordnung im wesentlichen von
dem durch die Pumpkammer strömenden Kühlwasser
aufgenommen und abgeführt, so daß sie die
Steuerschaltung nicht erreichen kann. Auf diese Weise wird
eine Überhitzung der Steuerschaltung über die
Temperatur des Kühlwassers hinaus vermieden.
Durch eine ringförmige Anbringung der
Erregeranordnung um die Pumpkammer herum wird außerdem
erreicht, daß die Abwärme der Erregeranordnung auch
effektiv an die Umgebung der Pumpe, im Fall einer
Kraftfahrzeugkühlwasserpumpe also den Motorraum,
abgegeben werden kann. Diese Erregeranordnung kann
zweckmäßigerweise äls Klauenpol-Anordnung
ausgebildet sein.
Ferner ist vorgesehen, daß das Flügelrad zumindest
im Bereich der Reichweite eines von der
Erregeranordnung erzeugbaren Magnetfelds aus einem
magnetischen Material besteht. So übernimmt das Flügelrad
selbst die Funktion eines Rotors, der direkt mit
dem Erregerfeld wechselwirkt, was eine leichtere
und kompaktere Konstruktion der Pumpe ermöglicht.
Die Steuerschaltung ist vorzugsweise an einer
Stirnwand der Pumpkammer angeordnet. Dies
ermöglicht eine gute thermische Abschirmung der
Steuerschaltung von der Erregeranordnung bei gleichzeitig
kompaktem Aufbau, und es erlaubt ferner, einen
gegebenenfalls zur Erfassung der Stellung des
Flügelrads benötigten Magnetfeldsensor, der, um wirksam
zu sein, in geringer Entfernung vom Flügelrad
angeordnet sein muß, mit dem Rest der Steuerschaltung
zu einer Einheit, vorzugsweise einer integrierten
Schaltung, zusammenzufassen.
Die Pumpe umfaßt zweckmäßigerweise ein erstes
Gehäuseteil, zum Beispiel aus einem
temperaturbeständigen Kunststoff, das eine beispielsweise
zylindrische Seitenwand und eine erste Stirnwand der Pumpe
bildet, wobei zwischen der Seitenwand der
Pumpkammer und einer Außenwand des ersten Gehäuseteils ein
ringförmiger Hohlraum gebildet ist, der die
Erregeranordnung aufnimmt. Dieses Gehäuseteil ist, wie
später genauer erläutert wird, für eine einfache
Montage der Pumpe wichtig.
Ein zweites Gehäuseteil verschließt
zweckmäßigerweise den ringförmigen Hohlraum und definiert eine
Kammer für die Steuerschaltung.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel (Fig.
1) ist die Steuerschaltung in thermischem Kontakt
mit der Stirnwand montiert, so daß ihre Temperatur
durch die Temperatur der gepumpten Flüssigkeit
zuverlässig begrenzbar ist. In diesem Fall ist ein
Stecker für die elektrische Versorgung der
Steuerschaltung zweckmäßigerweise an die Stirnwand
angeformt. Elektrische Leiter von und zur
Steuerschaltung sind in der Stirnwand eingearbeitet. Dieses
kann dadurch erfolgen, daß die Stirnwand
beziehungsweise das erste Gehäuseteil, von dem sie ein
Teil ist, als MID (Moulded Interconnection Device),
das heißt, als ein Spritzgußteil mit metallisierten
Zonen, ausgeführt ist, oder daß Leiter in Form von
Stanzgittern in der Stirnwand eingefügt sind.
Die Ausführung der Steuerschaltung als integrierte
Schaltung mit an die elektrischen Leiter gebondeten
Anschlüssen erlaubt es, auf die Verwendung von Lot
an und in der Steuerschaltung völlig zu verzichten.
Weitere bevorzugte Ausführungsbeispiele (Fig. 2
und 3) sehen vor, daß die Steuerschaltung in
thermischem Kontakt mit dem zweiten Gehäuseteil
montiert ist. In diesem Fall können Stecker und
elektrische Leiter am zweiten Gehäuseteil in ähnlicher
Weise angeformt oder eingearbeitet sein wie oben in
Verbindung mit der Stirnwand erwähnt.
Die notwendigen elektrischen Verbindungen zwischen
einigen der erwähnten Leiter und der
Erregeranordnung sind vorzugsweise formschlüssig, insbesondere
durch Widerstands- oder Ultraschallschweißen oder
durch Hot Staking hergestellt.
Nicht zuletzt zum Schutz vor Berührung und
Verschmutzung ist die Steuerschaltung vorzugsweise in
ein wärmeleitfähiges Gel oder Harz eingebettet.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben
sich aus der nachfolgenden Beschreibung von
Ausführungsbeispielen.
Fig. 1 bis 3 zeigen schematisch im Schnitt
Ausführungsbeispiele von
erfindungsgemäßen Pumpen.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Fig. 1 zeigt schematisch im Schnitt und in einer
auseinandergezogenen Darstellung ein erstes
Ausführungsbeispiel der Erfindung. Ein erstes Gehäuseteil
1 umfaßt eine zylindrische Außenwand 3, die durch
einen Flansch 4 an ihrem in der Figur oben
liegenden Ende mit einer konzentrischen Wand verbunden
ist, die eine Seitenwand 5 einer Pumpkammer 6bildet. Eine erste Stirnwand 7 schließt die Pumpkammer
in der Figur nach unten ab. Ein sich in
Axialrichtung vom Boden 7 aus erstreckender Dorn 8 trägt ein
Flügelrad 2, das innerhalb der Pumpkammer 6 frei
drehbar ist. Ein Deckel 9 ist zur Befestigung am
Flansch 4 vorgesehen und bildet eine
gegenüberliegende zweite Stirnwand der Pumpkammer 6. Zulauf-
und Ablauföffnungen 10 für die zu pumpende
Flüssigkeit verlaufen durch den Deckel 9.
Außenwand 3, Flansch 4 und Seitenwand 5 begrenzen
einen ringförmigen Kanal oder Hohlraum 11, in dem
eine Erregeranordnung 12 untergebracht wird. Diese
Erregeranordnung umfaßt zwei mit Strömen in
entgegengesetzten Richtungen beaufschlagbare, in axialer
Richtung gestaffelte Wicklungen 13, 14,
eingeschlossen in ein metallisches Gehäuse 15, das sich,
abgesehen von einem Luftspalt 16, im Querschnitt
rings um die Wicklungen 13, 14 erstreckt. Die
Position des Luftspalts in axialer Richtung variiert
entlang des Umfangs der Gehäuses 15 und bewirkt,
daß je nach Lage des Luftspalts 16 das Magnetfeld
jeweils einer der zwei Wicklungen 13, 14 stärker als
das andere in die Pumpkammer 6 durchgreift. Das
Flügelrad 2 besteht wenigstens in den Bereichen, in
denen es von dem durchgreifenden Magnetfeld erfaßt
wird, vorzugsweise der einfacheren Herstellung
halber aber vollständig aus einem magnetischen Material,
vorzugsweise einem Kunststoff mit eingebetteten
magnetischen Partikeln. Diese wechselwirken mit dem
in die Pumpkammer 6 durchgreifenden magnetischen
Feld und versetzen bei geeigneter Beschaltung der
Wicklungen 13, 14 das Flügelrad 2 in Drehung. Ein
solches Antriebsprinzip ist als Klauenpol-Motor
bekannt.
An der Stirnwand 7 der Pumpkammer 6 ist ein
elektrischer Steckverbinder 17 einteilig angeformt. Die
Gestalt dieses Steckverbinders kann anwendungs-
beziehungsweise kundenspezifisch variiert werden.
Kontaktstifte des Steckverbinders 17 sind über in
die Stirnwand 7 eingebettete Leiter 18 mit einer
Steuerschaltung 19 verbunden, die in einer
anwenderspezifischen integrierten Schaltung alle zur
Ansteuerung der Regelungen 13, 14 und gegebenenfalls
zur Erfassung der Position des Flügelrads
erforderlichen Funktionsbestandteile umfaßt. Die
Steuerschaltung 19 ist auf einer nichtmagnetischen
Metallplatte 30 befestigt, zum Beispiel verklebt und
zusammen mit dieser in eine Aussparung 20 der
Stirnwand 7 eingelassen. Die Pumpkammer 6 hat im
Bereich der Aussparung 20 nur eine geringe
Wandstärke, die im wesentlichen nur der einfachen
Abdichtung der Aussparung 20 gegen die Pumpkammer
dient. Die Metallplatte 30 liefert die
erforderliche Festigkeit der Stirnwand 7 und dient der
gleichmäßigen Verteilung und effizienten Abfuhr der
Abwärme der Steuerschaltung 19. Ihre
Betriebstemperatur wird daher durch die Temperatur der
Flüssigkeit wirksam begrenzt.
Selbst wenn sich die Wicklungen 13, 14 im Betrieb
über die Temperatur der Flüssigkeit hinaus
erhitzen, kann ihre Abwärme die Steuerschaltung 19 im
wesentlichen allenfalls durch Wärmefluß über die
Seitenwand 5 erreichen. Da diese Seitenwand 5 aber
ebenfalls durch die Flüssigkeit gekühlt wird, isst
die Steuerschaltung 19 durch die Pumpkammer 6
wirksam vor der Abwärme der Wicklungen geschützt.
Die Steuerschaltung 19 ist mit den Leitern 18 in
herkömmlicher Weise über dünne Bonddrähte
verbunden. Da diese Verbindung lotfrei ist, sind
Betriebstemperaturen der Steuerschaltung von über
100°C und bis zu 140°C ohne weiteres zulässig, ohne
die Zuverlässigkeit der Steuerschaltung 19 zu
gefährden.
Die oben beschriebene Pumpe läßt sich ausgehend vom
ersten Gehäuseteil 1 mit darin vormontierten
Leiterbahnstrukturen 18 und fertig gebondeter
Steuerschaltung 19 in wenigen einfachen Schritten
zusammensetzen. Dazu wird zunächst die Erregeranordnung
12 in den Hohlraum 11 eingeschoben, wobei darauf
geachtet wird, daß Anschlußschlaufen 21 der
Erregeranordnung (von denen in der Figur der
Einfachheit halber nur eine gezeigt ist) korrekt um
hierfür vorgesehene Anschlußlaschen wie etwa 22 gelegt
werden. Anschließend wird die Lasche 22 in einem
unter der Bezeichnung Hot Staking bekannten
Verfahren umgebogen und warmverpreßt, wodurch die
Schlaufe 21 sicher gefangen wird. Alternativ kommen auch
Verbindungstechniken wie etwa Widerstands- oder
Ultraschallschweißen in Frage.
Anschließend braucht nur noch ein zweites
Gehäusesteil 23 aufgesteckt und mit der Außenwand 3
verbunden zu werden. Dieses zweite Gehäuseteil hat ein
Loch 24, durch das der Steckverbinder 17
hindurchgreift. Um ein Vordringen von Schmutz und
korrosiven Substanzen durch das Loch 24 zur
Steuerschaltung 19 zu verhindern, und um Wärmeübertragung über
Luft von der Erregeranordnung 12 zur
Steuerschaltung 19 zu verhindern, sind die zwei Gehäuseteile
1, 23 zweckmäßigerweise so bemessen, daß das zweite
Gehäuseteil 23 dicht an der Stirnwand 7 zu liegen
kommt, so daß die Aussparung 20 zu einer im
wesentlichen geschlossenen Kammer wird. Auf jeden Fall
ist allerdings vorgesehen, daß die Steuerschaltung
in der Aussparung 20 mit einem wärmeleitenden Gel
oder Harz eingegossen wird, das selbst dann, wenn
Verunreinigungen durch das Loch 24 eingedrungen
sind, diese daran hindert, die Steuerschaltung 19
und ihre Bonddrähte zu erreichen. Die
Steuerschaltung ist somit - trotz des Lochs 24 - hermetisch
eingeschlossen und geschützt.
Anschließend oder vorab wird das Flügelrad 2 in die
Pumpkammer 6 eingesetzt und der Deckel 9 am Flansch
4 dicht befestigt, um die Pumpkammer zu
verschließen.
Man erhält so einen Pumpenaufbau, der äußerst
kompakt ist, gleichzeitig aber bequem und - da keine
Blindfügeschritte erforderlich sind -
kontrollierbar zusammengefügt werden kann.
Fig. 2 zeigt eine zweite Ausgestaltung einer
erfindungsgemäßen Pumpe. Der Deckel 9 und das
Flügelrad 2 unterscheiden sich nicht von denen des ersten
Ausführungsbeispiels und werden nicht erneut
beschrieben. Das erste Gehäuseteil 1' unterscheidet
sich von dem aus Fig. 1 lediglich darin, daß seine
Stirnwand 7' glatt ist und nicht zur Montage einer
Steuerschaltung daran vorgesehen ist. Die
Erregeranordnung 12 unterscheidet sich von der aus Fig. 1
lediglich durch ihre Orientierung; ihre
Anschlußschlaufen 21 befinden sich an der (in der Figur)
oberen Seite der Erregeranordnung 12.
Eine Steuerschaltung 19' ist bei dieser
Ausgestaltung am zweiten Gehäuseteil 23' montiert und so
thermisch mit der Umgebung der Pumpe verbunden. Da
nun der zur Verfügung stehende Einbauraum größer
geworden ist, ist bei dieser Ausgestaltung eine
Ausführung der Steuerschaltung 19' in Form eines
Dickschichthybrids mit diskreten Komponenten
möglich. Ein mit dem Hybrid verbundener Kühlkörper 25
ist in das zweite Gehäuseteil 23' eingelassen. Der
Abstand der Steuerschaltung 19' von der Stirnwand
7' beträgt nach Montage nur wenige Millimeter, so
daß ein zur Erfassung der Position des Rotors
beziehungsweise Flügelrads 2 benötigter Sensor, zum
Beispiel ein Hall-Sensor oder ein magnetoresistives
Element, der einen geringen Abstand von dem zu
erfassenden Gegenstand haben muß, in die
Steuerschaltung einbezogen sein kann.
Das zweite Gehäuseteil 23' trägt ferner einen
einstückig angeformten Steckverbinder 17', und von den
Steckkontakten des Steckverbinders 17' ausgehende
Leiter 18 verlaufen innerhalb der Wand des zweiten
Gehäuseteils 23'.
Das zweite Gehäuseteil 23' hat hier die Form eines
flachen Bechers mit einer zylindrischen Außenwand
27. Diese Außenwand bildet an ihrer Innenseite eine
Schulter beziehungsweise einen Vorsprung 26, dessen
Funktion zum einen ist, die Erregeranordnung 12 zu
tragen, und zum anderen, den Hohlraum 11, in dem
die Erregeranordnung 12 bei fertig montierter Pumpe
untergebracht ist, gegen eine Kammer 20'
abzugrenzen, die sich zwischen der Stirnwand 7' des ersten
Gehäuseteils 1' und dem Boden des zweiten
Gehäuseteils 23' erstreckt und in der die Steuerschaltung
19' untergebracht ist. Der Vorsprung 26 behindert
so den Luftaustausch zwischen dem Hohlraum 11 und
der die Steuerschaltung 19' enthaltenden Kammer 20'
und beugt so deren Überhitzung vor.
Die Außenwand 27 des zweiten Gehäuseteils 23' hat
einen oberen Abschnitt 28, der geringfügig verjüngt
ist, um in den Hohlraum 11 des ersten Gehäuseteils
einzugreifen. Einige der innerhalb des zweiten
Gehäuseteils 23 verlaufenden Leiter 18 erstrecken
sich bis zur Oberkante des oberen Abschnitts 28, wo
sie in Laschen 22 enden. Diese Laschen sind wie im
Fall von Fig. 1 vorgesehen, um elektrische
Verbindungen für die Stromversorgung der Erregeranordnung
12 zu bilden.
Diese Ausgestaltung zeichnet sich durch eine
besonders einfache Montage aus. Hier werden nämlich alle
in der Figur getrennt dargestellten Bauteile,
zweites Gehäuseteil 23', Erregeranordnung 12,
Gehäuseoberteil 1', Flügelrad 2 und Deckel 9 einfach nur
der Reihe nach aufeinandergestapelt und aneinander
befestigt, ohne daß dafür die Orientierung der
entstehenden Pumpe verändert werden muß. Eine solche
Konstruktion ist offensichtlich besonders geeignet
für eine kostensparende, automatische Fertigung.
Fig. 4 zeigt eine Abwandlung der Ausgestaltung aus
Fig. 3, bei der die Steuerschaltung 19'' eine mit
diskreten Komponenten zweiseitig bestückte
Leiterplatte ist. Falls eine solche Bestückung aus
Platzgründen nötig ist, ist es zweckmäßig, die zwischen
der Stirnwand 7' des ersten Gehäuseteils 1' und dem
zweiten Gehäuseteil 23' definierte Kammer 20', die
die Steuerschaltung 19'' aufnimmt, mit einem
wärmeleitenden Gel oder Harz zu verfüllen, das einen
guten Wärmekontakt mit der Pumpkammer und/oder der
Umgebung sicherstellt und die Steuerschaltung vor
Überhitzung durch die Erregeranordnung 12' schützt.
Da das Harz oder Gel wie beim ersten
Ausführungsbeispiel eine hermetische Umhüllung der
Steuerschaltung 19' beziehungsweise 19'' bildet, ist es
nicht unbedingt notwendig, die Verbindung zwischen
erstem und zweitem Gehäuseteil am oberen Abschnitt
28 der Außenwand 27 auf ihrer gesamten Länge
abzudichten, was die Fertigung weiter vereinfacht.