LU500868B1

LU500868B1 - Kreiselpumpe

Info

Publication number: LU500868B1
Application number: LU500868A
Authority: LU
Inventors: Sascha Brosius
Original assignee: Wilo Se
Priority date: 2021-11-17
Filing date: 2021-11-17
Publication date: 2023-05-23
Also published as: DE202022105772U1; CN219555282U

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kreiselpumpe (1), insbesondere eine Heizungsumwälzpumpe (1), umfassend eine Pumpenelektronik (2) mit einem aus thermoplastischem Kunststoff spritzgegossenen und mit einem Deckel (7) verschlossenen Gehäuse (3), in dem einen Frequenzumrichter bildende elektrische und elektronische Bauelemente (6a, 6b) der Pumpenelektronik (2) angeordnet sind. Auf dem Kunststoff sind in MID-Technik hergestellte Leiterbahnen (5) ausgebildet, die die Bauelemente (6a, 6b) platinenlos elektrisch miteinander verbinden, wobei die Bauelemente (6a, 6b) die Leiterbahnen (5) kontaktierend direkt auf dem Gehäuse (3) angeordnet sind und der Kunststoff wärmeleitfähig ist. Die Kühlung der Bauelemente (6a, 6b) wird hierdurch verbessert.

Description

WI 790113LU B LU500868 16.11.2021

WILO SE

Wilopark 1 44263 Dortmund

Kreiselpumpe

Die Erfindung betrifft eine Kreiselpumpe, insbesondere eine Heizungsumwälzpumpe, umfassend eine Pumpenelektronik mit einem aus thermoplastischem Kunststoff spritzgegossenen, mit einem Deckel verschlossenen Gehäuse, in dem einen

Frequenzumrichter bildende elektrische und elektronische Bauelemente der

Pumpenelektronik angeordnet sind.

Frequenzumrichter dienen dazu, eine beliebige Drehzahl bei dem eine Kreiselpumpe antreibenden Elektromotor einzustellen, indem sie eine bestimmte Spannung mit einer bestimmten Frequenz bereitstellen. Sie umfassen in der Regel aus einen

Gleichrichter zur Umwandlung einer Wechselspannung in eine Gleichspannung, einen Spannungszwischenkreis in Gestalt eines oder mehrerer Kondensatoren, die mit der gleichgerichteten Spannung beaufschlagt werden, einen Wechselrichter zur

Umwandlung der Gleichspannung in eine Wechselspannung, und eine Steuerung, die wenigstens die Schaltelemente des Wechselrichters steuert, genauer gesagt zyklisch ein- und ausschaltet, um eine annährend sinusfôrmige Ausgangsspannung bestimmter Frequenz und Höhe zu erhalten, welche dann an die Wicklung des

Elektromotors gegeben wird. Die Steuerung umfasst wenigstens einen Prozessor und einen nicht flüchtigen Speicher, in dem ein ein Steuerverfahren wie z.B. eine

PWM-Modulation oder eine feldorientierte Regelung ausführendes Programm gespeichert ist. Des Weiteren umfassen moderne Frequenzumrichter noch Sensoren zur Spannungs- und Strommessung, insbesondere zur Leistungsmessung im

Zwischenkreis und/ oder zur Temperaturüberwachung. Um die Rückwirkungen zum

Versorgungsnetz zu minimieren, kann ein Frequenzumrichter außerdem eine sogenannte Leistungsfaktor-Regelung (PFC-Power Factor Control) besitzen. Ein

Frequenzumrichter besteht somit aus zahlreichen elektrisch und funktional zusammenwirkenden Funktionseinheiten, mithin aus einer Vielzahl elektrischer und 10500868 elektronischer Bauelemente.

Diese Funktionseinheiten bzw. Bauelemente werden in klassischer Weise auf einer gedruckten Leiterplatte (PCB — Printed Circuit Board) angeordnet, welche wiederum in dem Gehäuse der Pumpenelektronik untergebracht ist. Die Leiterplatte dient somit einerseits als Träger der elektrischen Bauelemente und andererseits zur Realisierung der elektrischen Funktionalität des Frequenzumrichters, indem die auf der

Leiterplatte ausgebildeten Leiterbahnen die Bauelemente miteinander elektrisch verbinden. Das Gehäuse hat demgegenüber mechanische, thermische und

Sicherheitsfunktionen (Isolation, elektromagnetische Abschirmung). Dies führt zu einer komplexen Struktur, bei der mehrere einzelne Komponenten hergestellt und elektromechanisch aufeinander abgestimmt werden müssen.

Elektrische Bauelemente erzeugen Verlustwärme, die nach außen abgeführt werden muss, um sie bzw. die Elektronik vor eine Überhitzung zu schützen. Bei einem

Frequenzumrichter erzeugt der Wechselrichter den Großteil der Verlustwärme. Um diese wirkungsvoll abzugeben, muss eine thermische Schnittstelle zwischen dem entsprechenden wärmeerzeugenden Bauelement und dem Gehäuse geschaffen werden. Eine solche thermische Schnittstelle führt jedoch zu zusätzlichen Kosten und erhöht die Komplexität der Pumpenelektronik abermals.

Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine

Kreiselpumpe mit Pumpenelektronik bereitzustellen, die einen konstruktiv einfacheren Aufbau aufweist.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte

Weiterbildungen sin in den Unteransprüchen angegeben und werden nachfolgend erläutert.

Erfindungsgemäß wird eine Kreiselpumpe, insbesondere eine

Heizungsumwälzpumpe vorgeschlagen, umfassend eine Pumpenelektronik mit einem aus thermoplastischem Kunststoff spritzgegossenen und mit einem Deckel verschlossenen Gehäuse, in dem einen Frequenzumrichter bildende elektrische und elektronische Bauelemente der Pumpenelektronik angeordnet sind, wobei auf dem 1U500868

Kunststoff in MID-Technik hergestellte Leiterbahnen ausgebildet sind, die die

Bauelemente platinenlos elektrisch miteinander verbinden, wobei die Bauelemente die Leiterbahnen kontaktierend direkt auf dem Gehäuse angeordnet sind und der

Kunststoff wärmeleitfähig ist.

Die vorgeschlagene Lösung verwendet die sogenannte Molded Interconnect Device (MID) Technologie, bei der elektrische Leiterbahnen aus Metall direkt auf einer

Kunststofffläche ausgebildet sind. Die Leiterbahnen sind dabei in den Kunststoff eingebettet, besitzen jedoch eine freiliegende Oberfläche, die von den elektrischen

Anschlüssen der Bauelemente, auch Pins genannt, kontaktiert werden können, insbesondere durch Verlöten. Auf diese Weise wird eine direkte Verbindung zwischen den Wärme erzeugenden Bauelementen des Frequenzumrichters und dem

Gehäuse geschaffen und die Wärme über die elektrischen Kontakte der

Bauelemente an das Gehäuse abgegeben, das zur besseren Aufnahme, Verteilung und Abgabe der Wärme an die Umgebung thermisch leitfähig ist. Auf diese Weise kann die thermische Leistungsfähigkeit der Pumpenelektronik optimiert werden bzw. der Frequenzumrichter und insbesondere der Wechselrichter besser gekühlt und damit bei einer geringeren Betriebstemperatur betrieben werden. Diese geringere

Temperaturbelastung führt wiederum zu einer längeren Lebensdauer des

Frequenzumrichters.

Ein wesentlicher Aspekt der vorgeschlagenen Lösung ist ferner, dass bei der

Realisierung des Frequenzumrichters auf eine Leiterplatte verzichtet wird, indem die elektrischen Komponenten direkt auf das Kunststoffgehäuse platziert werden.

Besondere Vorteile der Erfindung sind ferner die Reduzierung der Komponenten, die

Möglichkeit, den Frequenzumrichter, und folgemäßig auch die Pumpenelektronik, kompakter zu bauen sowie die Umwelt nachhaltig zu schonen, da kein

Leiterplattenmaterial benötigt wird.

Während Frequenzumrichter üblicherweise auf den zwei Seiten einer Leiterplatten (Ober- und Unterseite) realisiert werden, d.h. dessen Bauelemente quasi in zwei

Lagen oder Ebenen liegen, ist die erfindungsgemäße Anordnung prinzipiell nur einlagig, da für die Anordnung der Bauelemente und die Ausbildung der MID-

Leiterbahnen nur die Innenflächen der Gehäusewände bzw. die innenliegende LU500868

Oberfläche des Gehäusebodens zur Verfügung stehen.

So kônnen in einer Ausführungsvariante die Bauelemente auf dem Boden des

Gehäuses angeordnet sein. Die MID-Technik ermôglich jedoch auch dreidimensionale elektrische Strukturen zu realisieren. So kann beispielsweise auch zumindest eines der Wärme erzeugenden Bauelemente auf der Innenseite einer

Seitenwand des Gehäuses angeordnet sein, während die übrigen Bauelemente auf dem Boden angeordnet sind. Die in MID-Technik hergestellten Leiterbahnen erstrecken sich dann auch auf der Innenseite der Seitenwand entlang. Ferner können auch zwei oder mehr Außenwände in MID-Technik ausgeführte Leiterbahnen aufweisen und Bauelemente tragen. Ferner ist es auch möglich, dass die

Bauelemente nur auf den Innenseiten der Außenwände des Gehäuses angeordnet sind, d.h. kein Bauelement auf dem Boden angeordnet ist und/ oder keine MID-

Leiterbahn auf dem Boden ausgebildet ist.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass zumindest eines der wärmeerzeugenden

Bauelemente auf der einem die Kreiselpumpe antreibenden Elektromotor abgewandten Außenwand des Gehäuses angeordnet sind. Denn eine Wärmeabgabe in eine vom Elektromotor abgewandten Richtung ist sinnvoller als in Richtung des

Elektromotors, da dieser selbst Abwärme produziert.

Um die prinzipbedingt geringe Montagefläche für die Bauelemente zu vergrößern, kann in dem Gehäuse eine Trennwand, vorzugsweise einstückig mit dem Boden und/ oder einer Seitenwand vorhanden sein, die eine Vorder- und eine Rückseite bereitstellt, von denen zumindest eine Seite, vorzugsweise beide Seiten, ebenfalls mit MID-Leiterbahnen versehen und mit Bauelementen bestückt sind. Die MID-

Leiterbahnen dieser Trennwand können stoffschlüssig in die übrigen MID-

Leiterbahnen des Gehäuses, insbesondere des Bodens und/ oder einer Seitenwand übergehen.

Der Kunststoff kann beispielsweise eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 1

W/(m-K) aufweisen. Um diese Wärmeleitfähigkeit zu erreichen, können dem

Kunststoff Zusatzstoffe mit wärmeleitender Eigenschaft wie z.B. Karbonfasern und/ LU500868 oder Keramikpartikel wie Bornitrid beigemischt sein.

Geeigneterweise sind die den Frequenzumrichter bildenden elektrischen und elektronischen Bauteile nur SMD-Bauteil. Dies gewährleistet einen einheitlichen und damit einen einfachen Montageprozess der Bauelemente auf den MID-Leiterbahnen, welche beispielsweise bei 260°C verlötet werden können.

Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Figuren erläutert. Bei den Figuren behalten identische oder funktionsgleiche Elemente von Figur zu Figur dasselbe Bezugszeichen.

Es sei darauf hingewiesen, dass im Rahmen der vorliegenden Beschreibung die

Begriffe „aufweisen“, „umfassen“ oder „beinhalten“ keinesfalls das Vorhandensein weiterer Merkmale ausschließen. Ferner schließt die Verwendung des unbestimmten

Artikels bei einem Gegenstand nicht dessen Plural aus.

Es zeigen:

Fig. 1: eine Heizungsumwälzpumpe nach dem Stand der Technik

Fig. 2: eine erfindungsgemäße Pumpenelektronik im Querschnitt

Fig. 3a: eine Bauelementanordnung nach dem Stand der Technik

Fig. 3a: eine Bauelementanordnung nach der Erfindung

Fig. 1 zeigt eine Kreiselpumpe 1 in Gestalt einer Heizungsumwälzpumpe nach dem

Stand der Technik, im Fachjargon auch Small Circulator genannt. Die Kreiselpumpe 1 umfasst eine Pumpeneinheit, einen diese antreibenden Elektromotor (beides ohne

Bezugszeichen) und eine Pumpenelektronik 2. Die Pumpenelektronik 2 ist an einer axialen Stirnseite des Elektromotors montiert und umfasst ein Gehäuse 3, in dem ein

Frequenzumrichter untergebracht ist, um die Drehzahl der Kreiselpumpe 1 zu regeln.

Das Gehäuse 2 ist von einem Deckel 7 abgedeckt, wobei in dem Deckel 7 ein

Anzeige- und Bedienfeld 8 angeordnet ist.

Figur 2 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführungsvariante einer Pumpenelektronik 2, LU500868 bei der das Gehäuse 3 aus einem wärmeleitenden, thermoplastischen Kunststoff spritzgegossen ist. Im Boden des Gehäuses 2 sind elektrische Leiterbahnen 5 in

MID-Technik ausgebildet, so dass die Leiterbahnen 5 integraler Bestandteil des

Gehäuses 3 sind. Rein exemplarisch sind den Frequenzumrichter bildende

Bauelemente 6a, 6b in Fig. 2 dargestellt, die mit ihren elektrischen Kontakten 9 auf die Leiterbahnen 5 gelötet sind, so dass die Bauelemente 6a, 6b direkt auf dem

Gehäuse angeordnet sind. Die Leiterbahnen 5 verbinden somit die Bauelemente 6a, 6b miteinander elektrisch, ohne dass es hierfür einer gedruckten Leiterplatte (PCB) bedarf. Den hierdurch resultierenden Vorteil veranschaulichen Figuren 3a und 3b anhand des Bauteils 6b.

In Fig. 3a ist eine Kühlanordnung nach dem Stand der Technik für ein Bauelement 6b dargestellt. Beispielsweise handelt es sich bei diesem Bauelement 6b um dasjenige eines Frequenzumrichters, das den Wechselrichter bildet, d.h. ansteuerbare elektronische Schalter wie z.B. MOSFETs oder IGBTs in einem

Vergusskörper aufweist, um eine Gleichspannung in eine Wechselspannung umzuformen. Dieses Bauelement erzeugt im Betrieb im Vergleich zu den übrigen

Bauelementen eine große Wärme und wird deshalb gekühlt, wobei hierzu ein

Metallgehäuse 4a oder ein metallischer Abschnitt eines Gehäuses verwendet wird, z.B. ein Kühlkörper, der nach außen zur Warmeabgabe freiliegt. Um einen ausreichenden Abstand für Luft- und Kriechstrecken zu erreichen, liegt zwischen dem Bauelement 6b, respektive seinem Vergusskörper, und dem Metallgehäuse 4a ein Isolator 11. Der Vergusskörper des Bauelements 6b, über den die Wärme in dieser Variante abgeführt wird, besitzt einen thermischen Übergangswiderstand R _th_Mold, während der Isolator 11 einen thermischen Übergangswiderstand R _th _Insulator und das Metallgehäuse 4a einen thermischen Ubergangswiderstand R _th _Metal_housing hat, deren Summe für die Wärmeübertragungsfähigkeit maßgeblich ist.

In Fig. 3b ist eine erfindungsgemäße Kühlanordnung dargestellt, bei der die

Wärmeableitung bzw. Kühlung (Entwärmung) des Bauelements 6b über dessen elektrische Kontakte 9 direkt in das Gehäuse 3 erfolgt. Durch das Verlöten besteht eine optimale thermische Anbindung des Bauelements 6b an die Leiterbahn 5 und damit zum Gehäuse 3. Verlustwärme wird somit über die elektrischen Kontakte 9 aus LU500868 dem Vergusskôrper des Bauelements 6b herausgeführt und auf die MID-Leiterbahn übertragen, welche sie wiederum an das Gehäuse 3 abgibt, das sie dank seiner

Wärmeleitfähigkeit im gesamten Gehäuse 3 verteilt und an die Umgebungsluft abgibt. Der thermische Übergangswiderstand R_Mold des Vergusskörpers der

Bauelements 6b spielt somit keine Rolle. Vielmehr ist der thermische

Übergangswiderstand R_th_pin der elektrischen Kontakte 9 des Bauelements 6b zu berücksichtigen, welcher viel kleiner als R_th_mold ist. Der Vergleich zwischen den

Figuren 3a und 3b zeigt, dass ein thermischer Übergangswiderstand eingespart wird, nämlich R_th_insulator, weil der Vergusskörper des Bauelements 6b direkt an dem

Kunststoffgehäuse 3 anliegen kann. In der Summe ist dadurch der

Wärmeübergangswiderstand dieser Anordnung deutlich kleiner als nach dem Stand der Technik in Fig. 3b.

Die in Figuren 2 und 3b vorgestellte Lösung kann beispielsweise bei Kreiselpumpen 1 gemäß Fig. 1 eingesetzt werden, insbesondere bei Kreiselpumpen 1 mit einer

Pumpenelektronik umfassend einen Frequenzumrichter kleiner 100 W, wie er z.B. für

Small Circulators verwendet wird.

Weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung sind: - Ausnutzung des Bauraums im Inneren 4 des Gehäuses 3 in allen Richtungen. - Verringerung der Kosten aufgrund fehlender Leiterplatte. - Erhöhte Zuverlässigkeit aufgrund der fehlender Leiterplatte. - Im Betrieb eher warme und kalte Bauelemente 6a, 6b können durch Ausnutzung des Bauraums im Inneren 4 des Gehäuses 3 besser separiert werden. - Die Nachhaltigkeit wird aufgrund der fehlenden Leiterplatte verbessert, da weniger verschiedene Materialien vorliegen und das Recycling dadurch einfach ist. - Durch die direktere Anbindung der Bauelemente 6a, 6b bestehen weniger elektrische Übergangswiderstände und eine geringere Länge der Leiterbahnen, so dass insgesamt eine niederimpedante elektrische Struktur besteht, wodurch eine geringere Störaussendung und Anfälligkeit für Störeinkopplungen besteht, und somit die EMV Eigenschaften der Pumpenelektronik 2 verbessert sind.

Es sei darauf hingewiesen, dass die vorstehende Beschreibung lediglich beispielhaft LU500868 zum Zwecke der Veranschaulichung gegeben ist und den Schutzbereich der

Erfindung keineswegs einschränkt. Merkmale der Erfindung, die als „kann“, „beispielhaft“, „bevorzugt“, „optional“, „ideal“, „vorteilhaft“, „gegebenenfalls“, „geeignet“ oder dergleichen angegeben sind, sind als rein fakultativ zu betrachten und schränken ebenfalls den Schutzbereich nicht ein, welcher ausschließlich durch die Ansprüche festgelegt ist. Soweit in der vorstehenden Beschreibung Elemente,

Komponenten, Verfahrensschritte, Werte oder Informationen genannt sind, die bekannte, naheliegende oder vorhersehbare Äquivalente besitzen, werden diese

Äquivalente von der Erfindung mit umfasst. Ebenso schließt die Erfindung jegliche

Änderungen, Abwandlungen oder Modifikationen von Ausführungsbeispielen ein, die den Austausch, die Hinzunahme, die Änderung oder das Weglassen von Elementen,

Komponenten, Verfahrensschritte, Werten oder Informationen zum Gegenstand haben, solange der erfindungsgemäße Grundgedanke erhalten bleibt, ungeachtet dessen, ob die Änderung, Abwandlung oder Modifikationen zu einer Verbesserung oder Verschlechterung einer Ausführungsform führt.

Obgleich die vorstehende Erfindungsbeschreibung eine Vielzahl körperlicher, unkörperlicher oder verfahrensgegenständlicher Merkmale in Bezug zu einem oder mehreren konkreten Ausführungsbeispiel(en) nennt, so können diese Merkmale auch isoliert von dem konkreten Ausführungsbeispiel verwendet werden, jedenfalls soweit sie nicht das zwingende Vorhandensein weiterer Merkmale erfordern. Umgekehrt können diese in Bezug zu einem oder mehreren konkreten Ausführungsbeispiel(en) genannten Merkmale beliebig miteinander sowie mit weiteren offenbarten oder nicht offenbarten Merkmalen von gezeigten oder nicht gezeigten Ausführungsbeispielen kombiniert werden, jedenfalls soweit sich die Merkmale nicht gegenseitig ausschließen oder zu technischen Unvereinbarkeiten führen.

WI 790113LU L LU500868 16.11.2021

Bezugszeichenliste 1 Kreiselpumpe 2 Pumpenelektronik 3 Gehäuse 4 Gehäuseinnenraum 4a Metallgehäuse

MID-Leiterbahn

Ga, 6b Bauelemente 7 Deckel 8 Anzeige- und Bedienfeld 9 Bauelementanschluss

Platine 11 Isolator

Claims

WI 790113LU C LU500868 16.11.2021 Ansprüche

1. Kreiselpumpe (1), insbesondere eine Heizungsumwalzpumpe (1), umfassend eine Pumpenelektronik (2) mit einem aus thermoplastischem Kunststoff spritzgegossenen und mit einem Deckel (7) verschlossenen Gehäuse (3), in dem einen Frequenzumrichter bildende elektrische und elektronische Bauelemente (6a, 6b) der Pumpenelektronik (2) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Kunststoff in MID-Technik hergestellte Leiterbahnen (5) ausgebildet sind, die die Bauelemente (6a, 6b) platinenlos elektrisch miteinander verbinden, wobei die Bauelemente (6a, 6b) die Leiterbahnen (5) kontaktierend direkt auf dem Gehäuse (3) angeordnet sind und der Kunststoff wärmeleitfähig ist.

2. Kreiselpumpe (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der Wärme erzeugenden Bauelemente (6a, 6b) auf der Innenseite einer Seitenwand des Gehäuses (3) angeordnet sind.

3. Kreiselpumpe (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der Wärme erzeugenden Bauelemente (6a, 6b) auf der Innenseite einer von einem die Kreiselpumpe antreibenden Elektromotor abgewandten Außenwand des Gehäuses (2) angeordnet sind.

4. Kreiselpumpe (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gehäuse (3) eine Trennwand vorhanden ist, die eine Vorder- und eine Rückseite bereitstellt, von denen zumindest eine Seite ebenfalls mit MID-Leiterbahnen (5) versehen und mit Bauelementen (6a, 6b) bestückt ist.

5. Kreiselpumpe (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 1 W/(m-K) aufweist.

6. Kreiselpumpe (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen und elektronischen Bauteile nur SMD- Bauteile sind.

7. Kreiselpumpe (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauelemente (4) bei 260°C verlötet sind.

8. Kreiselpumpe (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (3) auf einem Motorgehäuse eines Elektromotors, insbesondere auf die axiale Stirnseite des Motorgehäuses montiert ist.