CN111033008B - 具有应用优化的结构的冷却剂泵 - Google Patents

Abstract

一种优选地用于在车辆中用作附加水泵的电动冷却剂泵，其特征在于，轴(4)的径向支承借助冷却剂润滑的径向滑动轴承(41)来提供，所述径向滑动轴承(41)布置在泵叶轮(2)和转子(32)之间；具有径向内定子(31)和径向外转子(32)的干式运行电动机(3)收纳在与泵室(10)分隔的电动机室(13)中；轴密封件(5)布置在径向滑动轴承(41)和电动机室(13)之间；转子(32)构成为钟形状，其内表面面向轴密封件(5)并与所述轴密封件(5)轴向重叠地固定在轴(4)上；以及电动机室(13)具有通向大气的开口，所述开口由液体密封的且蒸汽能渗透的压力平衡膜片(6)封闭。

Description

具有应用优化的结构的冷却剂泵

技术领域

本发明涉及一种冷却剂泵，其结构通过将轴承、密封件和电动机相结合，在成本、结构空间和使用寿命方面针对附加水泵的应用领域进行了优化。

背景技术

这种电动附加水泵用于车辆的冷却剂引导的热管理系统的局部区域的循环，该车辆配备有内燃机和主水泵，以便更灵活地冷却辅助装置的部件上的所谓热点，例如废气再循环系统、涡轮增压器、增压空气冷却器等上的热点。由于相对主水泵的冗余以及线路和节点的数量增加，此类附加水泵的类型面临着较高的价格压力，并且对用于集成到现代热管理系统的复杂包装中的具有小尺寸的紧凑结构组件的要求较高。

在迄今已制成的电动附加水泵产品中，尤其是由于在相对较小的泵结构中较简单的密封而使用内转子类型的湿式运行电动机。使用通常将定子通过密闭管等相对于转子干式封装并将转子和轴承设计成在输送介质中运行的湿式运行电动机是解决轴密封件处的泄漏和轴承缺陷的问题的已知措施。

然而，湿式转子具有较差的效率，因为定子和转子之间的用于收纳密闭管的间隙形成得较大，并且作用在转子上的磁场强度由此减弱。另外，在转子上发生液体摩擦，由此正是在附加水泵的尺寸相对较小的泵驱动器中效率进一步降低。另外，在湿式转子上会发生低温问题，例如在定子和转子之间的间隙中形成冰。

大型泵例如电动主水泵由于效率更好而也使用干式运行电动机。为了支承由干式运行电动机驱动的泵轴，主要使用滚动体轴承，例如球轴承，该轴承吸收轴向和径向负载并实现低摩擦值。

不过，滚动体轴承通常对渗透的湿气敏感，因为滚动体的所用材料，尤其是合适的钢，对于在湿气中使用没有足够的耐腐蚀性。湿气的进入由于腐蚀而导致滚动体和滚道的表面质量降低，这导致轴承的较高摩擦和相应的热量形成，并进而导致轴承和密封件的进一步损坏。结果，泵中原本昂贵的滚动体轴承必须在两端侧配备再次昂贵的密封件，这些密封件确保低摩擦和可靠的密封，以抵抗泵室内出现的运行压力。

除了成本缺点之外，相应的密封件总是引起较少的泄漏并且经常是泵的使用寿命的限制因素，因为这些密封件本身由于压力波动和温度波动而遭受摩擦磨损和脆化。

从该申请人的专利申请DE102015114783B3公开了一种设计为用作主水泵的电动冷却剂泵，其中，泵轴由单个所谓的水泵轴承支承，在泵叶轮和电动机之间具有两排滚动体。为了解决泄漏物进入干式运行电动机的轴承和位于其后方的电子构件的问题，在泵壳体中在轴密封件和水泵轴承之间设置有泄漏室，在该泄漏室中泄漏物可以被捕获和导出而不会与水泵轴承接触。位于其后方的泄漏密封件又防止已捕获且待导出的泄漏物进入壳体部段，在该壳体部段中收纳有电动机部件和电子器件。如果泄漏物从泄漏室直接进入电动机的壳体部段中，则电动机的运行温度会导致水蒸气从壳体部段沿相反的方向在水泵轴承的未密封且未保护的一侧渗透到轴承中并长期损坏该轴承。

在泵室和驱动器之间提供这种泄漏室随之带来附加结构空间的缺点，该附加结构空间增加了泵结构的轴向尺寸。

此外，轴密封件和泄漏密封件的使用和安装带来的费用是附加水泵产品无法接受的。为了将水蒸气进入而损坏水泵轴承的风险最小化，还需要在水泵轴承的未保护侧使用并安装另外的轴承密封件。

从通用的申请中还已知专利申请WO2015/011268A1中的一种用于加热设备的循环泵，该循环泵又由湿式运行电动机驱动。泵轴由径向滑动轴承和布置在其后方并具有轴密封件的轴向轴承支承。滑动轴承通过泵轴内部的导入部用输送介质来润滑。轴向位于其后的转子室通过具有静态密封功能的膜片与定子的收纳室分隔。

在上述公开中未探讨轴密封件处的泄漏问题。然而，作为关键情况，提到了膜片的穿透，该穿透导致液体进入收纳室的电气部段中，并且在导入润滑剂时通过过滤器来防止。

发明内容

基于所讨论的现有技术的问题，本发明的目的是提供一种用于干式运行电动机的简单、廉价且紧凑的泵结构。

本发明的另一方面是提供一种泵结构，其中可以省去轴密封件与干式转子电动机之间的泄漏室，从而有利于缩短泵的轴向结构。

本发明的另一方面是提供一种关于轴的支承和密封的廉价且耐用的替代方案。

根据本发明，该目的通过根据权利要求1所述的电动冷却剂泵来实现。

所述动冷却剂泵的特征尤其是在于，所述轴的径向支承借助冷却剂润滑的径向滑动轴承来提供，所述径向滑动轴承布置在泵叶轮和干式运行电动机的转子之间；具有径向内定子和径向外转子的所述电动机收纳在与所述泵室分隔的电动机室中；轴密封件布置在所述径向滑动轴承和所述电动机室之间；所述转子构成为钟形状，其内表面面向所述轴密封件并与所述轴密封件轴向重叠地固定在所述轴上；以及所述电动机室具有通向大气的开口，所述开口由液体密封的且蒸汽渗透的压力平衡膜片封闭。

本发明以其最一般的形式基于以下认识：通过根据本发明地选择、组合和布置泵的各个部件，使用泵中的运行条件来实现以下构成的互补作用链：用于限制轴密封件处的泄漏的压力减小，泄漏物的最佳蒸发，以及蒸发后的泄漏物的导出，由此还提供了与发明目的相对应的结构性和经济性优点。

本发明首次提出，对于干式运行电动机提供了在输送介质前方的用于轴密封件的压力减小区域，该区域在轴向上形成在由输送介质润滑的滑动轴承的后方。由于与泵腔内相应的密封表面相比输送介质的压力较低，在轴密封件处流过的泄漏物形成得较少。

另外，本发明首次提出，在所述轴密封件的后方使用带有转子钟形罩的外转子类型的干式运行电动机，所述钟形罩的优选封闭的内表面面向所述轴密封件。因此，在所述轴密封件后方的泄漏物的液滴由于转子钟形罩的内表面上的径向加速度而被迫通过定子的开放励磁线圈和转子的磁极之间的干式转子的气隙被引导，然后液滴才能进入具有电子器件的电动机室中。在这里，泄漏液滴由于电动机的运行温度和气隙中的湍流涡旋而蒸发。只有在此之后，生成的水蒸气才进入电动机室并通过膜片逸出到大气中。由此，可以消除定子的封装以及与此相关的湿式运行类型电动机的效率缺点。

此外，使用干式转子提供了一种用于使用昂贵的滚动体轴承和其相应两侧密封件的替代方案。

结果，消除了即使对于复杂的密封件类型也总是存在的每个轴承密封件的使用寿命有限的缺点，从而可以期望附加水泵的更长的使用寿命而没有轴承故障。

同时，根据本发明，通过省去轴密封件和电动机密封件或密闭壳，实现了一种具有较少的构件和便宜的滑动轴承的泵结构。

最后，根据本发明，实现了一种具有较小的轴向尺寸的紧凑的泵结构，其中，虽然省去了泄漏室，但仍为泵壳体中的干式转子提供了持久安全的运行环境。

附加水泵的有利改进方案是从属权利要求的主题。

根据本发明的一个方面，所述轴的轴向支承可以由轴向滑动轴承提供，所述轴向滑动轴承沿冷却剂的流动方向布置在所述泵叶轮的前方。

结果，所述轴上的轴向负载也通过所述滑动轴承来吸收，由此根据本发明的发明目的，提供了一种简单、廉价的轴承，其仅由两个由冷却剂润滑的滑动轴承组成。

根据本发明的一个方面，所述轴向滑动轴承可以由所述轴的自由端部和所述泵壳体、优选为泵盖上的抬升表面形成。

在运行期间，泵叶轮在泵的吸入套管或入口的方向上产生推力。通过轴的端侧滑动表面和相应的壳体侧抬升表面，提供了一种特别简单但充分的轴向轴承，而无需沿相反方向进行轴向固定。由此，可以进一步简化结构和安装。

根据本发明的一个方面，所述轴密封件可以具有至少两个用于在轴圆周上的动态密封的密封唇，所述密封唇以密封有效的方式至少朝轴向侧对准。

通过双唇轴密封件，在轴向滑动轴承后方提供了廉价且充分的泄漏保护，该泄漏保护与滑动环密封相比实现了显著更好的密封并且仅允许少量聚集的泄漏液滴通过。由于湿式运转的滑动轴承而可以省略与具有干式滚动轴承的泵结构一样沿相反方向的密封。

根据本发明的一个方面，所述泵壳体可以具有至少一个润滑通道，所述润滑通道将所述泵室与所述径向滑动轴承的与所述泵室相对的后端部连接。

通过从滑动轴承的前后轴向端部到泵室的一个或多个连接，不仅可以单侧静态施加输送介质直到轴承间隙饱和，还可以提供输送介质在轴承间隙中的连续循环，以进行滑动轴承的润滑。由此，实现了输送介质在轴承间隙中的更均匀的压力分布，并且运走了由轴承表面磨蚀引起的颗粒，从而有利于更好的润滑或更少的摩擦。

根据本发明的一个方面，至少一个过滤器可以与所述至少一个润滑通道相关联。

就此而言，通过设计流路而设置了循环方向，其中输送介质首先流经润滑通道，然后流经轴承间隙，每个润滑通道中的过滤器或用于所有润滑通道的过滤器防止颗粒状污物进入轴承间隙或轴密封件。由于过滤器的特性和厚度，可以设置合适的压降，该压降与泵室相比产生压力减小的区域，该压力减小的区域减轻了轴密封件的负担并仍然确保通过轴承间隙的充分循环。

根据本发明的一个方面，所述电动机的所述定子布置成与所述至少一个润滑通道轴向重叠。

通过将一个或尤其是多个径向分布的润滑通道布置成与电动机的定子相邻，定子的励磁线圈的损耗功率在运行期间通过泵壳体中的热转换被传递到在润滑通道中循环的输送介质并导出到泵室中的输送流。这种有利作用即使在高的冷却剂温度与线圈绕组的总是更高的温度之间的小温差下也可以使用。

具体实施方式

下面参照图1中的附图根据实施例描述本发明。

从图1的轴向剖视图中可以看出，泵壳体1在左边所示的一侧上包括吸入套管16和压力套管17，该吸入套管16和该压力套管17通向泵室10。吸入套管16用作泵入口，该泵入口以单独的泵盖11的形式套装到泵壳体10的轴向开放端部上并通向泵叶轮2的端侧，该泵叶轮2固定在轴4上。泵室10的圆周由螺旋形壳体包围，该螺旋形壳体切向地旁通到压力套管17，该压力套管17形成泵出口。

泵叶轮2是已知的径向泵叶轮，其具有与吸入套管邻接的中心开口。通过进气口16流向泵轮2的流体被加速并通过内部叶片径向向外排放到泵室10的螺旋形壳体中。通过吸入套管16流经泵叶轮2的输送流通过内置的叶片径向向外加速进入泵室10的螺旋形壳体并被导出。

在右边示出的一侧上，泵壳体1包括被称为电动机室13的空腔，该空腔通过泵壳体1的分隔部12与泵室10分隔，并且在该空腔中收纳有外转子类型的无刷电动机3。电动机3的具有励磁线圈的定子31围绕泵壳体1的分隔部12的圆柱形部段固定在电动机室13中。具有永磁转子极的转子32围绕定子31可旋转地固定在轴4上。

电动机室13的轴向开放端部由泵壳体1的电动机盖封闭，泵的控制单元或ECU，包括电动机3的功率电子器件在内，朝电动机室13开放地嵌入到泵壳体1中。在功率电子器件和定子31之间，在泵壳体1的下侧布置有电缆导通部，该电缆导通部将引线经过转子32引导到励磁线圈。

电动机3是干式转子类型，其励磁线圈是未封装的或在气隙处朝转子开放地暴露于电动机室13。转子32具有对外转子而言典型的钟形状，该钟形状位于右边所示的轴4的自由端部上并在定子31的轴向区域中承载永磁转子极。然而，对转子体而言非典型地，转子32优选地在径向延伸部段中不包含穿通部，如常规方式那样通常用于减少旋转承载体的加速质量。因此，钟形转子32优选地构成封闭的内侧，该封闭的内侧仅在左侧打开以收纳定子31。

在泵室10和电动机室13之间延伸的轴4由径向滑动轴承41径向地支承在泵壳体1的分隔部12的圆柱形部段中。轴圆周处和滑动轴承41的轴承座处的滑动表面通过由附加水泵输送的冷却剂来润滑，该冷却剂渗透到滑动表面之间的轴承间隙中，如下所述。

另外，轴4在左自由端部被轴向支承。轴向滑动轴承42通过在轴4的端侧与抬升表面之间的一对滑动表面来实现，该抬升表面是通过在泵叶轮2前方的吸入套管16中的突起或撑杆相应地定位在泵盖11上来提供的。在运行中，泵叶轮2使轴4通过吸入作用沿吸入套管16的方向抵靠抬升表面滑动，从而使轴承在该一个方向上的轴向载荷吸收就足够了。由于滑动面之间的轴承间隙由输送流包围，因而轴向滑动轴承42也用冷却剂润滑，至少以通过冷却剂对滑动表面进行初始润湿以及在振动或湍流下重新润湿的形式来润滑。

在径向滑动轴承41和电动机室13之间布置有轴密封件5，该轴密封件5将泵壳体1的分隔部12的圆柱形部段的开放端部对轴4密封。轴密封件5是双唇密封件，其被压入到分隔部12的圆柱形部段中，并具有两个连续的密封唇，该两个密封唇彼此前后放置并朝径向滑动轴承41的方向指向，用于在轴圆周上的单侧动态密封。

此外，润滑通道14被设置在泵壳体1中分隔部12的圆柱形部段的壁内，这些润滑通道一方面在泵叶轮2的后侧上通向泵室10，另一方面通向环形空腔，该环形空腔在径向滑动轴承41的后端部和轴密封件5之间包围轴4。在运行中，冷却剂从泵室10通过润滑通道14流到轴4，并由轴密封件5限制地渗透到轴圆周和径向滑动轴承41的轴承座之间的轴承间隙中，从而使冷却剂沿相反的方向回流。冷却剂的轴向循环与滑动表面之间的旋转运动相结合确保了冷却剂在轴承间隙的均匀分布和润滑。冷却剂包含具有摩擦减小特性的防冻添加剂，例如乙二醇、硅酸盐等。同时，由滑动表面对摩擦产生的颗粒被排到泵室并进入输送流中。

另一方面，在润滑通道14的通向泵室10的口部的区域中布置有过滤器15，该过滤器15阻止诸如金属磨蚀等的颗粒状污物从输送流冲洗到径向滑动轴承41的轴承间隙中或轴密封件5的密封间隙中。当冷却剂通过润滑通道14和径向滑动轴承41循环时，与泵室10相比减小的压力由于过滤器15的流动阻力而作用在径向滑动轴承41和轴密封件5之间的环形空腔中。除过滤器的特性之外还由润滑通道14的数量和流动横截面来设定的减小的压力虽然削弱了通过径向滑动轴承的循环，但也减轻了轴密封件5的负担，由此由于减小了摩擦并减少了泄漏而延长了密封唇的使用寿命。

然而，从润滑通道14的循环中随时间流逝以液滴方式经过轴密封件5的少量的不可避免的泄漏不会与电动机室13中的励磁线圈或电动机电子器件直接接触。在运行中，泄漏液滴到达在轴密封件5后方的旋转转子32的内表面并通过离心力径向向外被运送。由于转子极或永磁体上的涡旋以及由于由励磁线圈的损耗功率引起的运行温度，泄漏液滴在定子31和转子32之间的气隙中蒸发，而不会在径向内置的定子32上施加液相的润湿，即腐蚀影响。

由于转子32的封闭的钟形状，泄漏液滴不能沿轴向方向到达电动机室13和电子器件，而是被捕获在转子32的内表面上并被供应到气隙以进行蒸发。为了将气隙的体积保持较小，该气隙构成为台阶状并与分隔部12的圆柱形部段的圆周和定子32的圆周尺寸上互补。

泄漏液滴从液相到气相的过渡伴随着体积增加，该体积增加在电动机室13的体积封闭的情况下会导致压力升高，而与由于泵的运行和停止之间的温度波动引起的压力波动无关。

不过，在电动机室13与周围大气之间设置有膜片6，该膜片6能够平衡从电动机室13到大气的压力波动。膜片6关于水渗透性是半渗透性的，即膜片6不会让液相的水经过，而充满湿气的空气可以扩散直到关于小液滴尺寸的极限或者膜片表面上聚集的小液滴密度。因此，在由于电动机室13中的蒸发而引起体积膨胀的情况下，充满湿气的热空气可以经过膜片6，从而蒸发的泄漏液滴有效地排放到大气中。在相反的方向上，膜片6又防止在车辆行驶时飞溅的水等渗入。

膜片6封闭泵壳体1的开口，该开口布置在定子31和转子32之间的气隙的出口的区域中上方。此外，在泵壳体1的上侧布置有用于外部电源的插接器。

除了图示和描述的实施方式之外，本发明还可以通过具有附加特征或不具有所描述特征的替代设计方案来实现。从发明目的的说明中可以看出，所述泵也可以在没有润滑通道14和过滤器15的情况下，或者使用与在吸入套管16的区域中的滑动轴承42不同的轴向轴承，或者使用与具有两个密封唇的轴密封件不同的轴密封件5来实现。在没有设置润滑通道14的情况下，径向滑动轴承41的轴承间隙的可通过轴承间隙来调节的静态润滑可以至少仍通过来自泵室10的运行压力来使用，其中，与泵室10相比减小的压力再次作用在在径向滑动轴承41后方的轴密封件5上。

Claims (9)

1.一种用于在车辆中输送冷却剂的电动冷却剂泵，其具有：

泵壳体（1），所述泵壳体（1）具有泵室（10）、入口（16）和出口（17），泵叶轮（2）可旋转地收纳在所述泵室（10）中，所述入口（16）和所述出口（17）与所述泵室（10）连接；

轴（4），所述轴（4）可旋转地被支承在所述泵壳体（1）上，并且所述泵叶轮（2）固定在所述轴（4）上；

其特征在于，

具有径向内定子（31）和径向外转子（32）的干式运行电动机（3）收纳在与所述泵室（10）分隔的电动机室（13）中；

所述轴（4）的径向支承借助冷却剂润滑的径向滑动轴承（41）来提供，所述径向滑动轴承（41）布置在所述泵叶轮（2）和径向外转子（32）之间；

轴密封件（5）布置在所述径向滑动轴承（41）和所述电动机室（13）之间；

所述径向外转子（32）构成为钟形状，其内表面面向所述轴密封件（5）并与所述轴密封件（5）轴向重叠地固定在所述轴（4）上；以及

所述电动机室（13）具有通向大气的开口，所述开口由液体密封的且蒸汽能渗透的压力平衡膜片（6）封闭。

2.在根据权利要求1所述的电动冷却剂泵，其中，所述轴（4）的轴向支承由轴向滑动轴承提供，所述轴向滑动轴承沿冷却剂的流动方向布置在所述泵叶轮（2）的前方。

3.根据权利要求2所述的电动冷却剂泵，其中，所述轴向滑动轴承（42）由所述轴（4）的自由端部和所述泵壳体（1）上的抬升表面形成。

4.根据权利要求3所述的电动冷却剂泵，其中，所述抬升表面在泵盖（11）上。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的电动冷却剂泵，其中，所述轴密封件（5）具有至少两个用于在轴圆周上的动态密封的密封唇，所述密封唇以密封有效的方式至少朝轴向侧对准。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的电动冷却剂泵，其中，所述泵壳体（1）具有至少一个润滑通道（14），所述润滑通道（14）将所述泵室（10）与所述径向滑动轴承（41）的与所述泵室（10）相对的后端部连接。

7.根据权利要求6所述的电动冷却剂泵，其中，所述至少一个润滑通道（14）具有至少一个过滤器（15）。

8.根据权利要求6所述的电动冷却剂泵，其中，所述电动机（3）的所述径向内定子（31）布置成与所述至少一个润滑通道（14）轴向重叠。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的电动冷却剂泵在具有内燃机和主水泵的车辆中的冷却剂引导系统中作为附加水泵的用途。

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