Pumpe

Die Erfindung betrifft eine Pumpe, insbesondere eine Umwälzpumpe, die ein in einem Pumpengehäuse angeordnetes Flügelrad umfasst, mit welchem ein Fluid von einem Pumpenzulauf des Pumpengehäuses zu einem Pumpenablauf des Pumpengehäuses förderbar ist. Ein Rotor des Elektromotors ist über eine Welle mit dem Flügelrad mechanisch gekoppelt, so dass durch eine

Drehung des Rotors das Flügelrad in eine entsprechende Drehbewegung versetzbar ist. Ferner umfasst die Pumpe ein Mittel zur Kühlung des Rotors des Elektromotors.

Zur Steigerung der Effizienz von Umwälzpumpen ist es bekannt, diese aus besonders hochwertigen Materialien zur Verbesserung ihres Wirkungsgrades herzustellen. Solche Umwälzpumpen werden als Hocheffizienz-Umwälzpumpen bezeichnet. So sind beispielsweise Kurzschlussstäbe des Rotors aus Kupfer anstelle des häufig verwendeten Aluminiums gefertigt. Allerdings weisen diese Hocheffizienz-Umwälzpumpen den Nachteil hoher Kosten auf .

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Pumpe an- zugeben, bei der auf einfachere und kostengünstigere Weise eine Erhöhung des Wirkungsgrades möglich ist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Pumpe mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Er- findung sind in den abhängigen Patentansprüchen wiedergegeben .

Eine erfindungsgemäße Pumpe umfasst ein in einem Pumpengehäuse angeordnetes Flügelrad, mit welchem ein Fluid von einem Pumpenzulauf des Pumpengehäuses zu einem Pumpenablauf des

Pumpengehäuses förderbar ist. Die Pumpe umfasst weiter einen Elektromotor, dessen Rotor über eine Welle mit dem Flügelrad mechanisch gekoppelt ist, so dass durch eine Drehung des Ro- tors das Flügelrad in eine entsprechende Drehbewegung versetzbar ist. Darüber hinaus ist ein Mittel zur Kühlung des Rotors des Elektromotors vorgesehen, das durch einen in der Welle angeordneten Thermosiphon gebildet ist, wobei das Flü- gelrad als Wärmesenke für ein Arbeitsmedium des Thermosiphons dient .

Die Erfindung macht sich den Umstand zu Nutze, dass bei Elektromotoren eine bessere Abkühlung des Rotors zu einer Er- höhung des Wirkungsgrads führt. Bei der erfindungsgemäßen Pumpe wird dieser Effekt ausgenutzt und ein Wellen-Thermo- siphon in der Rotorwelle eingesetzt. Durch die Kühlung der Welle wird auch der Rotor des Elektromotors gekühlt, wodurch sich die erwünschte Wirkungsgraderhöhung ergibt. Die von dem Rotor abgeführte Wärme wird über den Thermosiphon an das in einem Fluid, z.B. Heizungswasser, befindliche Pumpenrad abgegeben, wobei das Pumpenrad als Kondensator dient bzw. ausgelegt ist. Dies hat zur Folge, dass die Verlustwärme des Rotors des Elektromotors in den Fluidkreislauf zurückgeführt wird. Ist dieser, wie erwähnt, ein Heizungskreislauf, so kann auch dessen Effizienz erhöht werden, da dem Heizungswasser Wärme zugeführt wird.

Die erfindungsgemäße Pumpe weist darüber hinaus den Vorteil auf, dass diese gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Hocheffizienz-Umwälzpumpen kostengünstiger herstellbar sind, da herkömmliche Materialien, insbesondere Kurzschlussstäbe des Rotors aus Aluminium, verwendet werden können. Darüber hinaus kann aber auch der Wirkungsgrad von be- reits optimierten Hocheffizienz-Umwälzpumpen nochmals erhöht werden. Aufgrund der bereits geringeren Verluste von Hocheffizienz-Umwälzpumpen ist zwar eine geringere Effizienzsteigerung als bei herkömmlichen Umwälzpumpen zu erwarten. Dennoch ermöglicht das Vorsehen eines Thermosiphons in der Welle und die Nutzung des Flügelrads als Wärmesenke eine weitere Verbesserung des Wirkungsgrads. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist zur Ausbildung des Thermosiphons in der Welle eine sich in Längsrichtung erstreckende Ausnehmung vorgesehen, in welcher das Arbeitsmedium aufgrund einer Änderung des Aggregatzustands zwischen flüssig und gasförmig zirkuliert. Es ist hierbei zweckmäßig, wenn sich die Ausnehmung über die gesamte Breite des Rotors des Elektromotors erstreckt, damit ein möglichst guter Wärmeeintrag in das Arbeitsmedium in dem Thermosiphon erfolgen kann. Darüber hinaus ist es weiterhin vorteilhaft, wenn die Ausnehmung im Bereich von Lagerstellen des Elektromotors ausgebildet ist. Zusätzlich zur Abkühlung des Rotors werden auch die Lagertemperaturen an den Lagerstellen vergleichmäßigt und verringert, wodurch sich die Lebensdauer dieser hochbelasteten Verschleißteile erhöht.

In einer Ausgestaltung weist die Welle einen Zentralabschnitt und einen Endabschnitt auf, der mit dem Zentralabschnitt fest verbunden ist und an welchem das Flügelrad befestigt ist, wobei die Ausnehmung in dem Zentralabschnitt zylindrisch und die Ausnehmung in dem Endabschnitt konisch ausgebildet ist.

Durch diese Ausgestaltung wird die Zirkulation des im Betrieb der Pumpe verschiedene Aggregatzustände aufweisenden Arbeitsmediums sichergestellt. Die Zirkulation des Arbeitsmediums wird im Gegensatz zu herkömmlichen Thermosiphons nicht durch Kapillarkräfte, sondern durch Rotationskräfte ermöglicht.

Hierzu ist die konische Gestalt der Ausnehmung in dem Endabschnitt der Welle notwendig, um kondensiertes Arbeitsmedium zurück in Richtung des Rotors des Elektromotors zu pressen.

Eine konkrete Ausgestaltung sieht vor, dass der Elektromotor und zumindest ein Teil des Zentralabschnitts der Welle fluid- dicht in einem Gehäuseteil angeordnet sind, wobei der Endabschnitt außerhalb des Gehäuseteils angeordnet ist. Insbesondere sind der Endabschnitt und der Zentralabschnitt der Welle außenumfangsseitig von einer Dichtung umgeben, wobei die

Dichtung vorzugsweise außerhalb des Gehäuseteils angeordnet ist und sich an eine Durchtrittsöffnung für die Welle anschmiegt. Das Gehäuseteil kann beispielsweise ein den Elek- tromotor umgebendes Motorgehäuse darstellen. Das Gehäuseteil und das Pumpengehäuse können in einer praktischen Ausgestaltung miteinander kombiniert sein. Die Dichtung sorgt dafür, dass das von dem Flügelrad geförderte Fluid nicht in Kontakt mit Komponenten des Elektromotors geraten kann, was zu seiner Zerstörung führen könnte.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist in der konischen Ausnehmung des Endabschnitts eine Vorrichtung mit sich von einer zentralen Nabe radial erstreckenden Speichen vorgesehen, um die Bildung eines Kondensatfilms des Arbeitsmediums an der konischen Wandung des Endabschnitts zu verbessern. Die Vorrichtung ist bevorzugt in der konischen Ausnehmung angeordnet und bezweckt eine verbesserte Zirkulation des Arbeitsmediums in dem Thermosiphon .

Es ist weiterhin zweckmäßig, wenn der Durchmesser der Ausnehmung, insbesondere in dem Zentralabschnitt, im Verhältnis zu dem Durchmesser der Welle derart ist, dass mindestens ein vorgegebenes Drehmoment an das Flügelrad übertragen werden kann. Durch das Vorsehen einer Ausnehmung in der Welle wird das von dem Elektromotor auf das Flügelrad übertragbare Drehmoment verringert. Bei der konstruktiven Ausgestaltung des Thermosiphons ist deshalb darauf zu achten, dass ein mindes- tens notwendiges Drehmoment von der Welle noch an das Flügelrad übertragen werden kann. Gegebenenfalls kann das Vorsehen des Thermosiphons in der Welle dazu führen, dass der Durchmesser der Welle erhöht werden muss, um notwendige Betriebsparameter der Pumpe noch erfüllen zu können.

Es hat sich ferner gezeigt, dass die Effizienz des Thermosiphons dann besonders hoch ist, wenn die Wandung der Ausnehmung rau ist. Dies bedeutet, es ist insbesondere beim Einbringen der Ausnehmungen in den Zentral- und Endabschnitt der Welle nicht notwendig, die Wandungen in besonderer Weise nachzuarbeiten. Vielmehr hat sich gezeigt, dass die Effizienz des Thermosiphons dann am höchsten ist, wenn nach dem Einbringen der Ausnehmung keine weiteren Bearbeitungsschritte der Ausnehmung erfolgen. Hierdurch lassen sich neben einer maximalen Erhöhung des Wirkungsgrades die Kosten für die Herstellung des Thermosiphons gering halten.

Es ist weiterhin zweckmäßig, wenn das Arbeitsmedium in die Ausnehmung unter Vakuum eingebracht und durch Vorsehen von Dichtmitteln dauerhaft verlustfrei in der Ausnehmung angeordnet ist. Als Arbeitsmedium ist ein Kältemittel, insbesondere Wasser, FC72, R124a, R600a, Isobutan usw., mit einer Verdamp- fungstemperatur von weniger als 100 ⁰ C vorgesehen. Prinzipiell eignet sich als Arbeitsmedium jedes Kältemittel, das eine Verdampfungstemperatur aufweist, welche geringer ist als die von dem Rotor des Elektromotors erzeugte Wärme.

In einer weiteren Ausgestaltung weist die Welle an einem dem Endabschnitt gegenüberliegenden Ende außerhalb des Gehäuseteils eine Nabe auf, welche zur Verbindung mit einem Lüfterrad zur Kühlung des Elektromotors vorgesehen ist. Das zusätzliche Lüfterrad kann eine weitere Wärmesenke für den Thermo- siphon darstellen. Prinzipiell macht die erfindungsgemäße

Ausgestaltung des Thermosiphons mit dem Flügelrad als Wärmesenke das Vorsehen eines weiteren Lüfterrads jedoch entbehrlich.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist die Welle in einer Einbausituation waagerecht gelagert oder derart gelagert, dass in Bezug auf eine Schwerkraftrichtung das Flügelrad an dem Endabschnitt der Welle höher als der Zentralabschnitt der Welle liegt. In diesen beiden Fällen ist sichergestellt, dass die Funktionsfähigkeit des Thermosiphons zur Reduktion der

Temperatur des Rotors des Elektromotors gewährleistet ist. In anderen, davon abweichenden Einbausituationen kann eine Kühlung des Rotors nicht mehr sichergestellt werden. Zwar ist dann keine Erhöhung des Wirkungsgrads der Pumpe mehr möglich, jedoch ist der Pumpenbetrieb ohne Weiteres mit dem herkömmlichen Wirkungsgrad möglich. Die Erfindung wird nachfolgend näher anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung erläutert.

Die einzige Figur zeigt einen Schnitt durch eine erfindungs- gemäße Pumpe, die beispielsweise als Umwälzpumpe in einem Heizkreislauf verwendet wird.

Die in der Figur dargestellte Pumpe weist ein Flügelrad 2 auf, das in einem zweitteiligen Pumpengehäuse Ia, 3 angeord- net ist. Das Pumpengehäuse Ia weist einen Pumpenzulauf Ic, z.B. von einer Heizung, auf, der in einen Sammelkanal Ib mündet. Der Sammelkanal Ib erstreckt sich spiralförmig in radialer Richtung des Flügelrades 2 und mündet in einen Pumpenablauf Id des Pumpengehäuses Ia. Der Pumpenablauf Id ist bei- spielsweise mit einem Zulauf zu einem Heizungskörper verbunden. Das Pumpengehäuse 3 ist im Ausführungsbeispiel einstückig mit einem Motorgehäuse 5 ausgebildet und weist eine Durchtrittsöffnung 14 für eine Welle 7 auf, welche das Flügelrad 2 mechanisch direkt, d.h. ohne zwischengeschaltetes Getriebe, mit einem Rotor eines Elektromotors 6 verbindet. Der Elektromotor 6 ist in dem Motorgehäuse 5 angeordnet. Um eine Abdichtung der in dem Motorgehäuse 5 vorgesehenen elektrischen Komponenten gegenüber dem von dem Flügelrad 2 geförderten Fluid, z.B. Wasser, zu erzielen, ist außerhalb des Mo- torgehäuses 5 im Bereich der Durchtrittsöffnung 14 eine Dichtung 4 vorgesehen. Die Dichtung 4 schmiegt sich an den äußeren Rand der Durchtrittsöffnung 14 an und ist mit einer Tellerfeder 13, welche außenumfangsseitig auf der Welle 7 angeordnet ist, verbunden.

Die Welle 7 ist zweiteilig ausgeführt und weist einen Zentralabschnitt 9a, 9b (mit lediglich beispielhaft unterschiedlichen Durchmessern) und einen mit diesem verbundenen Endabschnitt 10 auf. Sowohl in dem Zentralabschnitt 9a, 9b als auch in dem Endabschnitt 10 ist eine bezüglich der Rotationsachse vorgesehene Ausnehmung ausgebildet. In dem Zentralabschnitt 9a, 9b ist die Ausnehmung durchgängig zylindrisch ausgebildet. In dem Endabschnitt 10 ist die Ausnehmung ko- nisch ausgebildet. Wie der Figur zu entnehmen ist, ist das Flügelrad 2 mit dem Endabschnitt 10 der Welle 7 verbunden. Der Zentralabschnitt 9a, 9b und der Endabschnitt 10 sind derart miteinander verbunden, dass ein in die Ausnehmung 8 unter Vakuum eingebrachtes Arbeitsmedium dauerhaft verlustfrei in der Ausnehmung angeordnet ist. Als Arbeitsmedium ist in der Ausnehmung 8 ein Kältemittel vorgesehen, welches eine Verdampfungstemperatur von bevorzugt weniger als 100 ⁰ C aufweist. Als Kältemittel kann beispielsweise Wasser, R124a, R600a, FC72, Isobutan usw. verwendet werden.

Durch das Vorsehen der Ausnehmung 8 in der Welle 7 mit der beschriebenen Form der Ausnehmung in dem Zentralabschnitt 9 und dem Endabschnitt 10 sowie dem Einbringen des Kältemittels in die Ausnehmung 8 ist ein in der Welle angeordneter Thermo- siphon gebildet, bei dem das mit der Welle verbundene Flügelrad 2 als Wärmesenke für das Kältemittel des Thermosiphons dient. Durch den Thermosiphon wird eine Abkühlung des Rotors des Elektromotors und dessen Lagerstellen 15, 16 erreicht. Beim Betrieb des Elektromotors werden in der Nähe des Rotors Temperaturen von ca. 150 ⁰ C bis 300 ⁰ C erreicht, wodurch das in der Ausnehmung 8 vorgesehene Kältemittel zu verdampfen beginnt. In einer Einbausituation, in der die Welle der Umwälzpumpe waagerecht gelagert oder derart gelagert ist, dass in Bezug auf eine Schwerkraftrichtung das Flügelrad 2 an dem Endabschnitt 10 der Welle 7 höher als der Zentralabschnitt 9a, 9b der Welle liegt, wird das verdampfte Kältemittel in Richtung des Endabschnitts 10 der Welle 7 aufgrund der Rotation der Welle verdrängt. Das Flügelrad 2 ist in dem Fluid, das beispielsweise im Fall eines Heizkreislaufs maximal 70 ⁰ C aufweist, angeordnet und stellt einen Kondensator des Thermosiphons dar.

Aufgrund der geringeren Temperatur des Flügelrads 2 sowie der konischen Ausgestaltung der Ausnehmung 8 im Bereich des Endabschnitts kondensiert das verdampfte Arbeitsmittel und wird aufgrund der rotierenden Welle 7 an die Wandung der konischen Ausnehmung des Endabschnitts 10 gedrückt. Durch die konische Gestalt der Ausnehmung 8 im Bereich des Endabschnitts 10 ist sichergestellt, dass das kondensierte Arbeitsmedium in Richtung des Zentralabschnitts 9a, 9b gedrückt wird, bis es wiederum in den Bereich des Elektromotors 6 (und damit der Wär- mequelle) gelangt und dort von Neuem verdampft wird. Das Arbeitsmedium zirkuliert damit aufgrund seiner Änderung des Aggregatzustands zwischen flüssig und gasförmig in der Ausnehmung 8 der Welle 7. Hierdurch wird Abwärme von dem Elektromotor abtransportiert und über das Flügelrad 2 in das von die- sem geförderte Fluid eingetragen. Die Zirkulation des Arbeitsmediums des in der Welle 7 ausgebildeten Thermosiphons basiert dabei im Gegensatz zu herkömmlichen Thermosiphons nicht auf Kapillarkräften, sondern auf den während des Betriebs auftretenden Rotationskräften in der Welle 7.

Im Ergebnis wird hierdurch eine Kühlung des Rotors des Elektromotors 6 sowie der Lagerstellen 15, 16 der Welle 7 im Bereich des Elektromotors 6 bewirkt, wodurch sich eine Erhöhung des Wirkungsgrades ergibt. Gleichzeitig kann die von dem Elektromotor 6 abgeführte Verlustwärme in dem Fluidkreislauf, in dem sich das Flügelrad 2 befindet, zurückgewonnen werden.

Das in der Figur dargestellte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Pumpe weist eine mit der Welle 7 und aus dem Mo- torgehäuse 5 herausragende, optionale Nabe 12 auf, welche an dem dem Endabschnitt gegenüberliegenden Ende der Welle 7 angeordnet ist. Die Nabe 12 dient zur Aufnahme eines herkömmlichen Lüfterrades, um optional eine weitere Kühlung des Elektromotors zu bewirken.

Der Durchmesser der Ausnehmung 8, insbesondere in dem Zentralabschnitt 9a, 9b, muss im Verhältnis zum Durchmesser der Welle 7 derart bemessen sein, dass mindestens ein vorgegebenes Drehmoment an das Flügelrad 2 übertragen werden kann. Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Welle 7 in ihrem Zentralabschnitt 9a, 9b Abschnitte unterschiedlicher Durchmesser und damit unterschiedlicher Wandstärken zur Übertragung des geforderten Drehmoments auf. Diese Darstellung ist lediglich exemplarisch und nicht zwingend. Unabhängig von den Wandstärken der Welle 7 in unterschiedlichen Abschnitt des Zentralabschnitts 9a, 9b weist die Bohrung 8 in dem Zentralabschnitt 9a, 9b durchgängig den gleichen Durchmesser auf, so dass eine Zirkulation des Arbeitsmediums in der Ausnehmung 8 sichergestellt ist.

Bei der Herstellung der Ausnehmung 8 in der Welle ist es nicht notwendig, die Wandung der Ausnehmung 8 nachzuarbeiten. Es hat sich vielmehr herausgestellt, dass die Effizienz des Thermosiphons umso größer ist, je rauer die Wandung der Ausnehmung 8 ist. Es ist jedoch zweckmäßig, gegebenenfalls zur Herstellung der Ausnehmung 8 in diese eingebrachte Schmierstoffe zu entfernen, da diese den Aggregatzustand des Ar- beitsmediums nachteilig beeinflussen können.

Der in der Welle 7 der Umwälzpumpe vorgesehene Thermosiphon kann sowohl in herkömmlichen Pumpen, wie z.B. Umwälzpumpen, als auch in sog. Hocheffizienz-Pumpen vorgesehen werden. Wird ein Thermosiphon in eine herkömmliche Pumpe eingebaut, so lassen sich Pumpen mit, den Hocheffizienz-Pumpen vergleichbaren, Wirkungsgraden wesentlich günstiger realisieren, da auf kostengünstigere Materialien bei der Herstellung der Pumpen zurückgegriffen werden kann.

Beispielsweise lässt sich bei Standard-Pumpen mit einem Asynchronmotor im Bereich von 10 bis 20 kW eine Effizienzsteigerung von 1,5 % erzielen. Das Vorsehen eines Thermosiphons in der Welle einer Hocheffizienz-Pumpe führt auch dort zu einer Verbesserung des Wirkungsgrads, wobei die Effizienzsteigerung jedoch geringer als bei herkömmlichen Pumpen ausfällt, da Hocheffizienz-Pumpen bereits von Haus aus geringere Verluste aufweisen .