DE4121430C1 - - Google Patents
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- F04D29/5813—Cooling the control unit
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- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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- H02K17/00—Asynchronous induction motors; Asynchronous induction generators
- H02K17/02—Asynchronous induction motors
- H02K17/30—Structural association of asynchronous induction motors with auxiliary electric devices influencing the characteristics of the motor or controlling the motor, e.g. with impedances or switches
Description
Die Erfindung betrifft ein Pumpenaggregat, insbesondere für Wärmeerzeugungs-
und Wärmeverteilungsanlage, mit einer vor einem
Elektromotor angetriebenen Kreiselpumpe, der einen gegenüber der
Förderflüssigkeit abgedichteten Rotor aufweist und der durch Förderflüssigkeit
kühlbar ist, wobei die zur Kühlung abgezweigte Förderflüssigkeit
einen Kühlmantel durchströmt, der den Motor umfangsseitig
umschließt.
Die bekannten Modellgesetze der Kreiselpumpe weisen aus, daß der
Förderstrom proportional zur Drehzahl, die Förderhöhe mit dem
Quadrat der Drehzahl und die Pumpenleistung mit der dritten Potenz
der Drehzahl wächst. Aus diesen Gesetzmäßigkeiten ergibt sich das
Streben, Kreiselpumpen mit möglichst hoher Drehzahl anzutreiben.
Weiterhin kann dadurch, daß ein Aggregat mit unterschiedlicher
Drehzahl betrieben wird, mit nur einem Aggregat eine ganze Typenreihe
abgedeckt werden, ohne konstruktive Änderungen vorzusehen.
Hieraus ergibt sich auch, daß durch entsprechende Wahl und Regelung
der gewählten Drehzahl eine Pumpenanlage besonders energiesparend
betrieben werden kann.
Die Steuerung der Drehzahl erfolgt bei Pumpenaggregaten der oben
angegebenen Art durch einen Frequenzumrichter. Der Frequenzumrichter
ist daher ein ganz entscheidendes Bauelement eines solchen
Pumpenaggregats, um die sich aus den vorgenannten Gesetzmäßigkeiten
ergebenden Vorteile überhaupt erreichen zu können.
Aufgrund der Entwicklung auf dem Gebiet der Elektronik ist es heute möglich,
Frequenzumrichter mit so geringen Abmessungen zu bauen, daß sie im Pumpenaggregat
integriert werden können. Ein solches Pumpenaggregat mit integriertem
Frequenzumrichter ist beispielsweise aus der DE 36 42 727 A1 bekannt. Diese
Druckschrift beschreibt eine Unterwassermotorpumpe mit eingebautem Frequenzumrichter.
Der Motor dieser Pumpe ist als Naßlaufmotor ausgelegt, d. h., der Rotor
läuft in einem von Förderflüssigkeit durchspülten Spaltrohrtopf. Durch diese im
Spaltrohrtopf strömende Förderflüssigkeit wird sowohl der Motor als auch der
Frequenzumrichter gekühlt. Nachteilig bei derartigen Naßlaufmotoren sind jedoch die
großen Scherreibungsverluste des Rotors innerhalb des flüssigkeitsgefüllten Spalt
rohrs. Hierdurch wird der Wirkungsgrad des Aggregats, insbesondere bei höheren
Drehzahlen drastisch vermindert.
Beispielsweise aus der Schwimmbadtechnik sind Pumpenaggregate bekannt, deren
Elektromotoren einen gegenüber der Förderflüssigkeit abgedichteten Rotor und somit
im Vergleich zum Naßläufer deutlich geringere Reibungsverluste aufweist. Der
Motor wird dabei über einen Kühlmantel am Außenumfang des Stators gekühlt, der
von einem Teilstrom der Förderflüssigkeit durchströmt wird. Ein Motor für ein
solches Pumpenaggregat ist beispielsweise aus der DE 37 38 592 C1 bekannt.
Werden solche Motoren frequenzumrichtergesteuert, so ist für den Frequenzumrichter
regelmäßig eine spezielle Kühlung erforderlich. Im Falle der Kühlung des Frequenzumrichters
mittels Luft sind großdimensionierte Konvektionskühlkörper erforderlich,
die das Pumpenaggregat erheblich vergrößern. Im Falle von Flüssigkeitskühlung sind
zwar keine platzaufwendigen Kühlkörper erforderlich, doch muß das Kühlmedium,
in der Regel die Förderflüssigkeit, über Leitungen zum Frequenzumrichter geführt
und wieder abgeführt werden. Dies erfordert einen hohen Bauaufwand.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
ein gattungsgemäßes Pumpenaggregat so auszubilden, daß die vorgenannten Nachteile
vermieden werden, daß mit konstruktiv einfachen Mitteln eine geringe Baugröße
erreicht wird und daß die Verlustwärme der elektrischen Aggregate möglichst
vollständig auf den Förderstrom übertragen wird.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß ein
Frequenzumrichter zur Drehzahlsteuerung des Motors vorgesehen ist,
daß der Frequenzumrichter mit der Außenseite des Kühlmantels
wärmeleitend verbunden ist und daß der Frequenzumrichter zusammen
mit dem Motor in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet ist.
Die Erfindung verbindet in nahezu idealer Weise die Vorteile der
vorbeschriebenen Pumpenaggregate mit Naßlaufmotor mit denen mit
Trockenläufer, d. h. mit Pumpen, bei denen der Rotorraum gegenüber
der Förderflüssigkeit abgedichtet ist und die bevorzugt mit hohen
Drehzahlen angetrieben werden. Das erfindungsgemäße Pumpenaggregat
weist einen vergleichsweise höheren Wirkungsgrad auf, d. h. es
ist im Vergleich zu bekannten Pumpenaggregaten energiesparender.
Die Baugröße des erfindungsgemäßen Pumpenaggregats ist sehr
kompakt bei vergleichsweise günstigen Herstellungskosten. Eine
weitere Wirkungsgradsteigerung wird beim Einsatz des erfindungsgemäßen
Pumpenaggregats in Wärmeerzeugungs- und Wärmeverteilungsanlagen
dadurch erreicht, daß nahezu die gesamte Verlustwärme
des Elektromotors und des Frequenzumrichters dem Fördermedium
zugeführt werden, d. h. aus den Verlusten von Motor und Frequenzumrichter
Heizenergie gewonnen wird.
Bei solchen in Wärmeerzeugungs- und Wärmeverteilungsanlagen
eingesetzten Pumpen ist nicht der sonst übliche hydraulische Wirkungsgrad
η maßgebend, sondern der thermodynamisch-wirtschaftliche
Wirkungsgrad ηt. Unter hydraulischem Wirkungsgrad η versteht
man den Quotienten aus Förderleistung und elektrischer Leistung.
(Q - Förderstrom, H - Förderhöhe, ρ - Dichte des Fördermediums,
g - Erdbeschleunigung)
Der thermodynamisch-wirtschaftliche Wirkungsgrad ηt ergibt sich wie
folgt:
Dieser Wirkungsgrad (ηt) schließt auch die Verluste Pel - PQ mit in die Betrachtung
ein und bewertet diese mit den Gestehungskosten der Energieeinheiten. Der Faktor
a steht für die Gestehungskosten einer Energieeinheit aus Brennstoffen, der Faktor b
für die Kosten der gleichen Energieeinheit aus elektrischem Strom. Der Faktor b,
der die Wärmeenergieerzeugung über den elektrischen Strom beinhaltet, immer
größer ist als der Faktor a, wird der Quotient aus a und b stets kleiner als eins sein.
Demnach ist ηt stets größer als η. Bei Heizungsanlagen, Pumpen für medizinische
Bäder, Whirl-Pool-Pumpen und dergleichen kann somit der thermodynamisch-wirt
schaftliche Wirkungsgrad des Pumpenaggregats durch die erfindungsgemäße Ausbildung
erheblich gesteigert werden.
Aber auch in anderen Fällen des Pumpeneinsatzes, bei denen eine Erwärmung des
Fördermediums durch die elektrische Verlustwärme des Motors und des Frequenzumrichters
keine Vorteile bringt, besteht der erhebliche Vorteil eines im Vergleich zum
Stand der Technik kleineren und damit kostengünstigeren Motors dieses Pumpenaggregats,
da die Reibungsverluste des Naßlaufmotors vermieden werden und die
Pumpe mit hohen Drehzahlen betrieben werden kann.
Fertigungstechnisch besonders günstig ist es, wenn der Kühlmantel aus tiefgezogenen
und miteinander verschweißten Chromnickelstahlblechen hergestellt ist, die unter
Ausbildung eines pumpenseitigen Flansches geformt und miteinander verbunden sind.
Einen guten Wärmeübergang zwischen Motor und Kühlmantel erreicht man dadurch,
daß der Kühlmantel an seiner Innenseite zylindrisch zur Aufnahme des Statorblechpakets
des Motors ausgebildet ist. Das Statorblechpaket kann in die Zylinderinnenwand
des Kühlmantels eingepreßt sein, wodurch ein guter Wärmeübergang und mechanischer
Verbund erreicht wird.
Um einen guten Wärmeübergang von den Verlustwärme erzeugenden Bauteilen des
Frequenzumrichters zum Kühlmantel zu erzielen, ist es vorteilhaft, den Frequenzumrichter
über einen Wärmeverteiler wärmeleitend an den Kühlmantel anzuschließen.
Ein solcher Wärmeverteiler wird bevorzugt form- und kraftschlüssig am Außenumfang
des Kühlmantels angebracht. Auf diese Weise kann der Frequenzumrichter
mit dem Wärmeverteiler als Baueinheit hergestellt und bei der Montage des Pumpenaggregats
in einfacher Weise auf dem Kühlmantel befestigt werden.
Der Kühlmantel weist an seinem pumpenseitigen Ende zweckmäßigerweise einen
Flansch auf, mit dem er zwischen Motorgehäuse und Pumpengehäuse eingespannt
werden kann. Auf diese Weise ergibt sich eine sehr einfache und zugleich stabile
Befestigung des Kühlmantels innerhalb des Motorgehäuses.
Das Motorgehäuse besteht bevorzugt aus einem kappenförmigen Teil sowie einem
flanschartigen Teil, wobei sich das kappenförmige Teil an eine Stirnseite des flanschartigen
Teils und das Pumpengehäuse an das andere stirnseitige Ende des flanschartigen
Teils anschließt. Der Kühlmantel ist dann zwischen dem flanschartigen Teil
und dem Pumpengehäuse eingespannt. Bei dieser Ausbildung kann das kappenförmige
Teil des Motorgehäuses ohne Einfluß auf das übrige Pumpenaggregat montiert
bzw. demontiert werden, so daß der Frequenzumrichter ohne weitere Demontage des
Aggregats zugänglich ist.
Bevorzugt sind Ein- und Auslaßöffnungen für die dem Kühlmantel durchströmende
Förderflüssigkeit an der zur Pumpe gerichteten Stirnseite des Kühlmantels angeordnet.
Hierdurch kann eine schraubenlinienförmige Durchströmung des Kühlmantels
erreicht werden, wodurch eine genügende Verweildauer des Fördermediums innerhalb
des Kühlmantels gewährleistet wird und somit die den Kühlmantel durch
strömende Flüssigkeitsmenge und die damit verbundene hydraulische Verlustleistung
gesenkt werden kann. Im übrigen gibt es bei dieser Ausbildung keine Dichtungsprobleme
und keine flüssigkeitsführenden Anschlüsse im Bereich des Motors bzw.
des Motorgehäuses. Schließlich sorgt eine schraubenlinienförmige Durchströmung des
Kühlmantels für eine schnelle und zuverlässige Abfuhr von im Kühlmantel befindlichem
Gas, das die Kühlung stören könnte.
Zur Überwachung der Kühlfunktion ist es regelmäßig angebracht, eine Temperaturmeßeinrichtung
vorzusehen. Über eine entsprechende Sicherheitssteuerung kann mit
Hilfe einer solchen Temperaturmeßeinrichtung eine thermische Überlastung des
Aggregats verhindert werden. Bei der erfindungsgemäßen Konstruktion ist es von
Vorteil, diese Temperaturmeßeinrichtung, insbesondere den Meßfühler dieser Ein
richtung, an der Außenseite des Kühlmantels oder des Wärmeverteilers anzuordnen.
Diese Anordnung berücksichtigt die Erwärmung in Abhängigkeit der Kühlung, d. h.,
die Meßeinrichtung erfaßt sowohl eine übermäßige Erwärmung des Frequenzumrichters
durch elektrische Überlastung, beispielsweise bei Defekt von Bauelementen, als
auch einen Ausfall des Kühlmittelstroms durch den Kühlmantel.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand einer in den Zeichnungen dargestellten Whirl-
Pool-Pumpe beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Pumpenaggregat in stark vereinfachter
Darstellung und
Fig. 2 eine Ansicht in Richtung des Pfeils II in Fig. 1 nach Enfernen der
Motorgehäusekappe.
Bei dem dargestellten Pumpenaggregat handelt es sich um eine Whirl-Pool-Pumpe.
Das Pumpengehäuse 1 weist einen Einlaßstutzen 2 sowie einen Auslaßstutzen 3 auf.
Zwischen Ein- und Auslaßstutzen 2, 3 befindet sich ein Kreiselrad 4, das bei Rotation
in bekannter Weise einen Förderstrom erzeugt.
Das Kreiselrad 4 sitzt innerhalb des Pumpengehäuses 1 auf einem Ende einer Welle
5, die den Rotor 6 eines Elektromotors 7 trägt. Die Welle 5 ist gegenüber dem
Pumpengehäuse 1 abgedichtet und am motorseitigen Ende in einem Lager 8 sowie
nahe dem pumpenseitigen Ende in einem Lager 9 gelagert.
Der Rotor 6 des Elektromotors 7 ist somit ebenfalls über die Lager 8, 9 gelagert und
rotiert innerhalb eines Stators 10, dessen zylindrischer Außenumfang (Statorblechpaket)
innerhalb eines Kühlmantels 11 sitzt. Die innerhalb des Stators 10 verlaufende
Motorwicklung ist mit 12 gekennzeichnet.
Der Kühlmantel 11 besteht aus einem zylindrischen, topfförmigen Teil 13, das an
seinem offenen Ende hin zu einem stufenförmigen Flansch ausgebildet ist. Dieser
topfförmige Teil 13 wird umfangsseitig von einem ringförmigen, sich vom topfförmigen
Teil 13 erhebenden Teil 14 umgeben, welches zum offenen Ende des topfförmigen
Teils 13 erweiternd ebenfalls in einen Flansch ausläuft. Die Flansche der Teile
13 und 14 sind zu einem gemeinsamen Flansch 15 dicht, beispielsweise durch
Schweißen, miteinander verbunden.
Zwischen den Teilen 13 und 14 des Kühlmantels 11 ist ein Ringraum gebildet, der
zwei, etwa diametral angeordnete (nicht dargestellte) Öffnungen zum Pumpengehäuse
1 hin aufweist, die jeweils eine Verbindung zum Förderstrom der Pumpe bilden,
wobei diese Öffnungen in Bereichen unterschiedlichen Druckniveaus der Pumpe
liegen, so daß bei Förderung der Pumpe ein Teil des Förderstroms als Kühlstrom
durch den Kühlmantel 11 gelangt.
An der ebenfalls zylindrischen Außenseite des Kühlmantels 11 (insbesondere des
ringförmigen Teiles 14) ist über einen Wärmeverteiler 16 ein Frequenzumrichter 17
wärmeleitend mit dem Kühlmantel 11 verbunden. Der Frequenzumrichter 17 mit
seinen Verlustwärme erzeugenden elektronischen Bauelementen ist in an sich bekannter
Weise so angeordnet und ausgebildet, daß die Verlustwärme über den Wärmeverteiler
16 zum Kühlmantel 11 geleitet wird. Wärmeverteiler 16 und Frequenzumrichter
17 sind als Baueinheit ausgebildet und form- und kraftschlüssig am Außenumfang
des Kühlmantels 11 angebracht. Dies kann beispielsweise über die in Fig. 2 mit 18
angedeuteten Federzungen erfolgen, die entweder um die Unterseite des Kühlmantels
11 umlaufend ausgebildet oder seitlich an diesem angeschweißt sind. Diese Federzungen
18 rasten form- und kraftschlüssig hinter entsprechenden Vorsprüngen an den
Längsseiten des Wärmeverteilers 16 ein und drücken diesen zum Kühlmantel 11 hin.
Derartige Verbindungen sind hinreichend bekannt.
Am Boden des topfförmigen Teils 13 ist an der Innenseite eine Aufnahme 20 für das
Lager 8 vorgesehen. Nahe dem offenen Ende des Kühlmantels 11 ist innerhalb des
topfförmigen Teils 13 eine ringförmige, aus Blech geformte Lageraufnahme 21
eingelassen, die im wesentlichen scheibenförmig ausgebildet ist und einen umfangsseitigen
Kragen zum Anschluß an den topfförmigen Teil 13 sowie eine mittige Einformung
zur Aufnahme des Lagers 9 aufweist. Zur Durchführung der Welle 5 ist
diese scheibenförmige Lageraufnahme 11 mittig durchbrochen.
Der Kühlmantel 11 nimmt innenseitig den Motor 7, außenseitig sitzt der Frequenzumrichter
17. Zur Pumpe hin ist der Kühlmantel 11 durch einen inneren Teil des
Pumpengehäuses 1 abgestützt, wie sich aus Fig. 1 ergibt. Gehalten wird der Kühlmantel
11 sowie die davon getragenen Aggregatteile an dem Flansch 15, der zwischen
dem Pumpengehäuse 1 und einem flanschartigen Gehäuseteil 22 eingespannt
ist. Das flanschartige Gehäuseteil 22 liegt nicht nur stirnseitig an dem Flansch 15 des
Kühlmantels 11 an, sondern führt diesen im Bereich vor dem Flansch 15 auch radial.
An diesen rohrförmigen Teil des flanschartigen Gehäuseteils 22 schließt sich in
Richtung zum Motor hin ein schräg aufgeweitetes Flanschteil an, das stirnseitig zur
Verbindung mit einer das Gehäuse nach hinten dichtend abschließenden Gehäusekappe
23 vorgesehen ist. Die Gehäusekappe 23 ist, wie in Fig. 1 dargestellt, etwa
topfartig ausgebildet und umschließt nahezu den gesamten Kühlmantel 11 sowie den
darauf sitzenden Wärmeverteiler 16 mit Frequenzumrichter 17 mit Abstand.
An der Unterseite des Motorengehäuses 22, 23 ist ein Fuß 24 angeordnet, der in
Achsrichtung des Aggregates verschiebbar ist.
Innerhalb des Wärmeverteilers 16 ist eine Temperaturmeßeinrichtung zur Überwachung
der Kühlleistung angeordnet. Diese, in der Zeichnung nicht dargestellte
Temperaturmeßeinrichtung kann auch an der Außenseite des Kühlmantels 11 angebracht
sein.
Claims (9)
1. Pumpenaggregat, insbesondere für Wärmeerzeugungs- und
Wärmeverteilungsanlagen, mit einer von einem Elektromotor angetriebenen
Kreiselpumpe, der einen gegenüber der Förderflüssigkeit
abgedichteten Rotor aufweist und der durch Förderflüssigkeit kühlbar
ist, wobei die zur Kühlung abgezweigte Förderflüssigkeit einen
Kühlmantel durchströmt, der den Motor umfangsseitig umschließt,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Frequenzumrichter (17) zur Drehzahlsteuerung des Motors vorgesehen ist,
daß der Frequenzumrichter (17) mit der Außenseite des Kühlmantels (11) wärmeleitend verbunden ist und
daß der Frequenzumrichter (17) zusammen mit dem Motor (7) in einem gemeinsamen Gehäuse (1, 22, 23) angeordnet ist.
daß ein Frequenzumrichter (17) zur Drehzahlsteuerung des Motors vorgesehen ist,
daß der Frequenzumrichter (17) mit der Außenseite des Kühlmantels (11) wärmeleitend verbunden ist und
daß der Frequenzumrichter (17) zusammen mit dem Motor (7) in einem gemeinsamen Gehäuse (1, 22, 23) angeordnet ist.
2. Pumpenaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Kühlmantel (11) aus tiefgezogenen und miteinander verschweißten
Chromnickelstahlblechen (13, 14) unter Ausbildung eines pumpenseitigen
Flansches (15) hergestellt ist.
3. Pumpenaggregat nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmantel (11) einen zylindrischen
Ringraum (13) aufweist, an dessen Innenseite das Statorblechpaket
(10) des Motors (7) anliegt.
4. Pumpenaggregat nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verlustwärme
erzeugenden Bauteile des Frequenzumrichters
(17) über einen Wärmeverteiler (16) wärmeleitend an den Kühlmantel (11)
angeschlossen sind.
5. Pumpenaggregat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeverteiler (16) form- und kraftschlüssig am Außenumfang
des Kühlmantels (11) gehaltert ist.
6. Pumpenaggregat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der Kühlmantel (11) einen endseitigen Flansch (15) aufweist,
mit dem er zwischen Motorgehäuse (22, 23) und Pumpengehäuse (1) eingespannt
ist.
7. Pumpenaggregat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß das Motorgehäuse (22, 23) einen flanschartigen Teil (22)
aufweist, an dessen einer Stirnseite der Kühlmantel (11) mit dem Pumpengehäuse
(1) und an dessen anderer Stirnseite der übrige, vorzugsweise kappenförmig
ausgebildete Teil (23) des Motorgehäuses anschließt.
8. Pumpenaggregat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der Kühlmantel (11) an seiner zur Pumpe gerichteten Stirnseite
mindestens eine Einlaß- und eine Auslaßöffnung für die den Kühlmantel (11)
durchströmende Förderflüssigkeit aufweist.
9. Pumpenaggregat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß an der Außenseite des Kühlmantels (11) oder des Wärmeverteilers
(16) eine Temperaturmeßeinrichtung zur Überwachung der Kühlleistung
angeordnet ist.
Priority Applications (4)
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Publications (1)
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