AT413743B

AT413743B - Radialpumpe

Info

Publication number: AT413743B
Application number: AT0176101A
Authority: AT
Inventors: Markus Preinfalk; Heinz Klaus
Original assignee: Tcg Unitech Ag
Priority date: 2001-11-08
Filing date: 2001-11-08
Publication date: 2006-05-15
Also published as: US6755609B2; EP1310678B1; US20030099539A1; DE50207920D1; EP1310678A1; ATA17612001A

Description

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AT 413 743 B

Die Erfindung betrifft eine Radialpumpe, insbesondere Kühlmittelpumpe für eine Brennkraftmaschine, mit einem Laufradschaufeln aufweisenden Laufrad und einer Leiteinrichtung mit zumindest einem temperatur- und/oder drehzahlsensitiven Element zur temperaturabhängigen Steuerung des Förderstromes, wobei zumindest eine Laufradschaufel und/oder die Leiteinrichtung als 5 drehzahlsensitives Element ausgebildet ist.

Die DE 37 09 231 A1 beschreibt ein Laufrad, welches aus einem elastisch streckfähigen, elastischen Material derart hergestellt ist, dass bei zunehmender Zentrifugalkraft, die bei zunehmender Drehung des Laufrades auf die Laufradschaufeln wirkt, der Durchmesser des Laufrades io zunimmt. Dies ermöglicht eine Zunahme der Ausgangsleistung.

Die DE 44 24 996 A1 offenbart eine Kreiselpumpe mit elastisch ausgebildeten Laufradschaufeln. Bei einem Anlauf des Synchronmotors entgegen der vorgegeben Drehrichtung werden die Laufradschaufeln um zumindest 2% in radialer Länge aufgespreizt, wodurch der Wasserwider-15 stand sich wesentlich erhöht und der Motor abgebremst wird. Mit der Tendenz des Einphasen-Synchronmotors zum Anlauf-Pendeln und der vom Laufrad bestimmten Vorzugsrichtung wird der Motor gezwungen, in der richtigen Drehrichtung anzulaufen.

Bei Kühlmittelpumpen größerer PKW-Brennkraftmaschinen besteht oft die Anforderung, bereits 20 bei niedrigen Drehzahlen eine erhebliche Fördermenge zu liefern. Damit verbunden ist aber eine sehr große Fördermenge bei Höchstdrehzahl, die wiederum zu unzulässig hohen Drücken im Kühlmittelkreislauf führt. Kurzschlusskreisläufe zur Verringerung der durch den Motorkreislauf strömenden Menge müssen mit großen Querschnitten ausgeführt werden und sind in jedem Fall mit Verlustleistung verbunden. 25

Die DE 30 22 241 A1 beschreibt eine Kühlwasserpumpe nach Art einer Radialpumpe mit einer Regeleinrichtung, welche ein mit Schaufeln versehenes Pumpenrad aufweist, wobei die Schaufeln einsinnig gekrümmt sind. Die Schaufeln bestehen dabei aus Bimetallen, deren den größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzendes Teil auf der dem Krümmungsmittel-30 punkt zugekehrten Seite der jeweiligen Schaufel angeordnet ist. Unter der Wirkung der Temperatur des Kühlwassers und/oder der Drehzahl des Pumpenrades verändert sich die Krümmung der Schaufeln in der Weise, dass bei steigender Drehzahl und/oder steigender Temperatur der kleinste Abstand zwischen einander benachbarten Schaufeln zunimmt und dem gemäß die durch die Krümmung der Schaufeln bewirkte Drosselung des Kühlmittels abnimmt. Bei höheren 35 Drehzahlen kann somit eine höhere Förderleistung erreicht werden.

Die DE 196 54 092 C2 zeigt eine Kreiselpumpe, deren Laufradschaufeln einer temperaturabhängigen Formveränderung unterliegen. Die JP 59-70898 A offenbart ein Laufrad mit thermisch veränderbaren Laufschaufeln. 40

Die DE 42 00 507 A1 beschreibt eine variable Strömungsmaschine, deren Laufrad dem Volumenstrom abgepasst wird, in dem die Laufradbreite, die bei einem Laufradaufsatz verändert wird, welcher aus einer Scheibe mit Schlitzen in Schaufelform besteht, durch die die Schaufeln hindurchragen. Auch das Spiralgehäuse kann entweder über die Spiralweite durch eine verän-45 derliche Plattfederspirale oder über die Spiralbreite durch einen der Spiralform angepassten Spiralkolben verändert werden.

Auch die JP 60-159399 A offenbart eine Kreiselpumpe mit verstellbaren Leitschaufeln. so Die DE 25 58 319 A1 beschreibt eine Kreiselpumpe, deren Laufradschaufeln elastisch so verformbar sind, dass die Pumpe bei höherer Drehzahl spezifisch weniger fördert, als bei niedriger Drehzahl. Die maximale Auslenkung der Laufschaufeln ist nicht begrenzt, so dass es zu einem Überschwingen von gewünschten Druckschwankungen kommen kann. Da die Endstellung der Laufschaufeln nicht durch einen Anschlag oder dergleichen begrenzt ist, können sich Ferti-55 gungstoleranzen relativ stark auf die maximale Auslenkung der Laufschaufeln auswirken. Dies 3

AT 413 743 B bewirkt eine relativ breite Streuung im Förderverhalten der Pumpe.

Die US 2, 370.600 beschreibt ein Gebläse, dessen Laufschaufeln einen starren und einen beweglichen Teil aufweisen, wobei der elastische Teil durch Zentrifugalkraft auslenkbar ist. 5 Auch hier ist die maximale Auslenkung nicht begrenzt und die Einstellung der Schaufel bei maximaler Auslenkung nicht genau definiert.

Auch die DE 2 049 679 A und die DE 32 06 798 A1 beschreiben Radiallüfter mit Laufradschaufeln, deren Form mit steigender Drehzahl des Lüfters elastisch verändert wird, wodurch die io Fördermenge beeinflusst werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und bei einer Radialpumpe den Wirkungsgrad zu erhöhen. 15 Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass die Laufradschaufeln durch Corioliskräfte der Kühlmittelströmung elastisch verformbar sind, wobei vorzugsweise zwischen Laufradschaufeln und Laufradtangentialebenen definierte Austrittswinkel mit zunehmender Drehzahl abnehmen.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Laufradschaufeln flexibel ausgebildet sind und aus 20 einem elastischen Werkstoff, vorzugsweise aus Stahlblech bestehen. Bei niedrigen Drehzahlen sind die Drücke auf die Laufradschaufeln gering, die Fördermenge unverändert gegenüber starren Laufradschaufeln. Bei hohen Drehzahlen dagegen bewirken die Corioliskräfte der Kühlmittelströmung eine Verformung der Flügel in Richtung flacherer Austrittswinkel und damit eine abgesenkte Fördermenge. Dies ergibt sich dadurch, dass durch Verformen der Laufradschau-25 fein in Folge der Corioliskräfte die zwischen Laufradschaufeln und Laufradtangentialebenen definierten Austrittswinkel mit zunehmender Drehzahl abnehmen. Im Vergleich zu starren Laufradschaufeln sind die flexiblen Laufradschaufeln flacher und dünner gestaltet. Der Wirkungsgrad wird gegenüber starren Laufradschaufeln deutlich gesteigert, Drosselverluste entfallen. 30 In einer bevorzugten Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass die Laufradschaufeln zumindest teilweise aus Bimetall bestehen. Die Laufradschaufeln sind somit durch Temperaturänderungen des Kühlmittels verformbar, wobei vorzugsweise zwischen Laufradschaufeln und Laufradtangentialebenen definierte Austrittswinkel mit steigender Temperatur zunehmen. Dies ermöglicht es durch die Temperatur des Kühlmittels die Fördermenge zu regeln. Je nach geforderter För-35 derkennlinie kann die Fördermenge bei höheren Temperaturen nach oben oder unten von der Kennlinie bei starren Laufradschaufeln abweichen.

In weiterer Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass die vorzugsweise durch eine Austrittsspirale gebildete Leiteinrichtung zumindest einen Bimetallteil aufweist, wobei es besonders 40 vorteilhaft ist, wenn der Bimetallteil als Leitradschaufel ausgebildet ist. Die aus Bimetall ausgeführte Leitschaufel ist durch Temperaturänderungen zwischen einer ersten Stellung für minimalen Spiralquerschnitt und einer zweiten Stellung für maximalen Spiralquerschnitt verformbar, wobei der durch die Leitschaufel geregelte Spiralquerschnitt vorzugsweise mit steigender Temperatur zunimmt. 45

Um eine externe Steuerung des geförderten Volumensstromes der Radialpumpe zu ermöglichen, ist es besonders vorteilhaft, wenn das temperatursensitive Element durch eine Heizeinrichtung erwärmbar ist. so Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert.

Es zeigen Fig. 1 ein Laufrad einer erfindungsgemäßen Radialpumpe in einer Schrägansicht, Fig. 2 das Laufrad in einer Draufsicht, Fig. 3 das Laufrad in einem Schnitt gemäß der Linie lll-lll in Fig. 2, Fig. 4 das Laufrad mit in einer ersten Stellung befindlichen Laufradschaufeln, Fig. 5 55 das Laufrad mit in einer zweiten Stellung befindlichen Laufradschaufeln, Fig. 6 die Radialpumpe

Claims

4 AT 413 743 B mit Leiteinrichtung und Fig. 7 ein Kennfeld der Radialpumpe. Die Radialpumpe 1 weist ein Laufrad 2 und eine durch ein Spiralgehäuse 3 gebildete Leiteinrichtung 4 auf. Die Laufradschaufeln 5 des Laufrades 2 sind flexibel ausgebildet und bestehen beispielsweise aus Stahlblechflügel, welche über Nuten 6 mit starren Stützschaufeln 7 verbunden sind, wie insbesondere aus Fig. 2 hervorgeht. Bei niedrigen Drehzahlen sind die Drücke auf die Laufradschaufeln 5 gering, die Fördermenge ist unverändert gegenüber einem starren Laufrad. Wie aus Fig. 4 hervorgeht, nehmen die Laufradschaufeln 5 ihren maximalen Umlaufdurchmesser ein, wobei sich der Austrittswinkel einstellt, welcher zwischen Laufradschaufeln 5 und einer Tangentialebene ε gemessen wird. Bei hohen Drehzahlen bewirken die Corioliskräf-te der Kühlmittelströmung ein Verformung der Laufradschaufeln 5 in Richtung flacherer Austrittswinkel a2, wie Fig. 5 zeigt. Dies bewirkt eine Absenkung der Fördermenge Q. Die Zentrifugalkräfte wirken zwar der Verringerung der Austrittswinkel α entgegen, bei geeigneter Stärke der Laufradschaufeln 5 stellt sich aber der gewünschte Effekt ein. Der Wirkungsgrad wird durch die flacheren und dünneren Laufradschaufeln 5 im Vergleich zu einem starren Laufrad erhöht. Dadurch, dass keine Drosselung bei höheren Drehzahlen erforderlich ist, entfallen die Drosselverluste. Zusätzlich können die Laufradschaufeln 5 aus Bimetallflügeln bestehen, wodurch diese nicht nur als drehzahlsensitives sondern auch als temperatursensitives Element wirken. Durch das Bimetall werden die Laufradschaufeln 5 in Abhängigkeit der Temperatur des Kühlmittels verformt. Im kalten Zustand ergibt sich eine Stellung der Laufradschaufeln 5 analog zu Fig. 5, der Durchfluss ist relativ gering. Im heißen Zustand dagegen stellt sich eine Stellung der Laufradschaufeln 5 analog zu Fig. 4 mit relativ großem Austrittswinkel αΊ ein, der Durchfluss ist relativ hoch. Durch Überlagerung der Einflüsse zu Folge der Temperatureinwirkung und der Drehzahleinwirkung können sich beliebige Zwischenstellungen der Laufradschaufeln 5 einstellen. Zusätzlich kann auch im Bereich der Austrittsspirale 3 der Leiteinrichtung 4 ein durch eine Leitschaufel 8 gebildeter Bimetallteil 9 vorgesehen sein. Die Leitschaufel 8 ist durch Temperaturänderungen zwischen einer ersten Stellung A für minimalen Spiralquerschnitt und einer zweiten Stellung B für maximalen Spiralquerschnitt verformbar, wobei der durch die Leitschaufel 8 geregelte Spiralquerschnitt mit steigender Temperatur zunimmt. In Fig. 6 ist die Leitschaufel 8 in der ersten Stellung A mit strickpunktierten Linien und in der zweiten Stellung B in voll ausgezogenen Linie dargestellt. Das durch die Laufradschaufeln 5 und/oder durch die Leitschaufel 8 gebildete temperatursensitive Element kann auch beispielsweise elektrisch beheizbar sein, um eine externe Regelung zu ermöglichen. Somit kann die Verformung auch durch Ansteuerung von außerhalb der Radialpumpe erreicht werden. Fig. 7 zeigt ein Pumpenkennfeld für die Radialpumpe 1, wobei die Druckdifferenz Δρ und die Leistung P über dem Förderstrom Q aufgetragen sind. Mit I ist eine Kennlinie einer herkömmlichen Radialpumpe mit starren Laufradschaufeln bezeichnet. Die strichlierte Linie II zeigt dagegen eine Kennlinie der beschriebenen Radialpumpe 1 mit flexiblen Laufradschaufeln 5. Patentansprüche: 1. Radialpumpe (1), insbesondere Kühlmittelpumpe für eine Brennkraftmaschine, mit einem Laufradschaufeln (5) aufweisenden Laufrad (2) und einer Leiteinrichtung (4) mit zumindest einem temperatur- und/oder drehzahlsensitiven Element zur temperatur- oder drehzahlabhängigen Steuerung des Förderstromes, wobei zumindest eine Laufradschaufel (5) und/oder die Leiteinrichtung (4) als drehzahlsensitives Element ausgebildet ist, wobei die Laufradschaufeln (5) durch Corioliskräfte der Kühlmittelströmung elastisch verformbar sind, wobei vorzugsweise zwischen Laufradschaufeln (5) und Laufradtangentialebenen (ε) defi- 5 AT 413 743 B nierte Austrittswinkel (a) mit zunehmender Drehzahl abnehmen, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Verformung der Laufradschaufeln (5) zumindest in Richtung kleiner werdenden Austrittswinkeln (a) durch Stützschaufeln (7) begrenzt ist, wobei vorzugsweise jede Laufradschaufel (5) mit je einer Stützschaufel (7) verbunden ist. 5
2. Radialpumpe (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufradschaufeln (5) flexibel ausgebildet sind und aus einem elastischen Werkstoff, vorzugsweise aus Stahlblech bestehen. io 3. Radialpumpe (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufradschaufeln (5) auch als temperatursensitives Element ausgebildet sind und zumindest teilweise aus Bimetall bestehen.
4. Radialpumpe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die 15 Laufradschaufeln (5) durch Temperaturänderungen des Kühlmittels verformbar sind, wobei vorzugsweise zwischen Laufradschaufeln (5) und Laufradtangentialebenen (ε) definierte Austrittswinkel (a) mit steigender Temperatur zunehmen.
5. Radialpumpe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die 20 vorzugsweise durch eine Austrittsspirale (3) gebildete Leiteinrichtung (4) zumindest einen Bimetallteil aufweist.
6. Radialpumpe (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Bimetallteil als Leitschaufel (8) ausgebildet ist. 25
7. Radialpumpe (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufel (8) durch Temperaturänderungen zwischen einer ersten Stellung (A) für minimalen Spiralquerschnitt und einer zweiten Stellung (B) für maximalen Spiralquerschnitt verformbar ist, wobei vorzugsweise der durch die Leitschaufel (8) geregelte Spiralquerschnitt mit steigender 30 Temperatur zunimmt.
8. Radialpumpe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das temperatursensitive Element durch eine Heizeinrichtung erwärmbar ist. 35 Hiezu 3 Blatt Zeichnungen 40 45 50 55