CN114585837A - 具有改进的间隙密封的冷却剂泵 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种冷却剂泵，其包括布置在位于入口开口的轴向端处的泵叶轮(2)上的旋转滑环(4)，以及静滑环(5)，其布置在泵壳体(1)上围绕入口(6)的嘴部，使得静滑环面向旋转滑环(4)。旋转滑环(4)具有滑面(40)，而静滑环(5)具有滑面(50)。滑面(40、50)彼此面向，并形成平面轴承，其吸收从泵叶轮(2)轴向指向泵壳体(1)的力。用于在滑面(40，50)之间产生流体动力润滑膜的微结构形成在彼此面向的滑面(40，50)的至少一个上。该微结构包括腔体，其设计成在至少一个滑面(40、50)上积聚液体冷却剂。

Description

具有改进的间隙密封的冷却剂泵

本发明涉及一种冷却剂泵，其在冷却剂泵的抽吸侧和压缩侧之间具有改进的间隙密封，在用于内燃机的冷却剂回路或车辆上的电动牵引电机的示例用途中特别用于输送冷却水或水基冷却剂。

径向泵型或轴向泵型的各种离心泵是已知的，其将液体输送介质沿轴向抽入泵轴，并通过径向或轴向加速的泵叶轮建立输送压力。在泵叶轮和通向其的壳体部段之间通常有间隙，该间隙同时形成了泵的抽吸侧和压缩侧之间的边界。为了确保该区域内抽吸侧和压缩侧之间的密封效果，一种尝试是保持泵叶轮和壳体之间的间隙尽可能小并因此造成间隙密封，即产生具有有效密封的例如20至80微米的间隙尺寸的间隙。

然而，在制造泵时，泵叶轮和壳体之间的间隙密封的间隙尺寸在很大程度上受到调整的公差链的结果的影响，该链是在组装多个泵部件后逐一产生的。对公差链有影响的制造步骤涉及到例如调整泵叶轮如何坐置在轴上、轴如何坐置在轴轴承中、轴轴承如何坐置在壳体中等。如果泵的外壳是由多个部分生产的，即特别是如果通往泵叶轮的壳体部段和容纳轴的壳体部段不是一体的，那么对应的壳体部段之间的调整也对公差链的结果有影响，从而影响抽吸侧和压缩侧之间的间隙密封。

在现有技术中，离心泵的设计是已知的，其提供了在泵叶轮和壳体之间的密封布置。

例如，DE 90 01 229 U1公开了离心泵的叶轮和阶梯式壳体之间的间隙密封，该密封间隙与轴同轴延伸。

DE 199 60 160 B4公开了一种用于优化离心泵中间隙宽度的装置，用于补偿制造公差和相对于壳体孔的位置偏差。位于叶轮自由端外周的是有直接相邻的齿轮密封圈的凸边。齿轮密封圈与间隙环接触，该间隙环布置在泵壳体的壳体内孔的止动面中。在间隙环的内套筒上彼此相邻布置的是定心座、环密封圈和自由座，在间隙环的外套筒上有幅材或径向翅片。

然而，密封件，特别是密封唇本身，由于磨蚀、杂质或其他颗粒和异物的影响、脆化等，会受到磨损。此外，密封件的摩擦系数增加了所需的驱动能量并损害了泵运行的能源效率。

此外，在现有技术中，在轴上提供了泵叶轮的轴向可移动的安装部的离心泵的设计是已知的。这种布置允许在运行中，轴上的泵叶轮被拉向泵的抽吸侧，直到其抵靠壳体搁置。

DE 10 2009 027 645 A1描述了一种不属于所考虑的类型的用于洗碗机的循环泵。该泵的叶轮设置有滑动区域，而壳体设置有间隔盘，该间隔盘相对于吸入通道是静态的。在运行中，滑动区域和间隔盘具有双重功能，既作为叶轮的轴承，又作为防止水返回进入吸入通道的密封系统。

由于在这种设计中，轴轴承不接受轴向力，所以在泵叶轮和壳体之间发生了导致磨损的摩擦。在这种泵的设计中，泵叶轮和壳体之间的磨损和摩擦系数受到特定用途因素的影响，诸如取决于输送能力的接触压力，或者例如油基或水基输送介质的流变学和摩擦学性质等。与前面提到的用于冲洗液的循环泵相比，对应的泵设计是否同样适合于用作冷却剂泵似乎是值得怀疑的，特别是在较高的输送能力方面，即在较长的工作时间内具有较高的接触压力，以及没有能够以含表面活性剂的冲洗介质形式进行润滑的成分的水基输送介质方面。

本发明的目的是提供一种使用优化的冷却剂泵，该泵在抽吸侧和压缩侧之间提供耐用的和低摩擦的间隙密封。该目的是通过具有本发明的方案的特征的冷却剂泵实现的。

根据本发明的冷却液泵，其特征在于：旋转滑环，该旋转滑环布置在泵叶轮上，朝向进口开口的轴向端；静滑环，该静滑环布置在泵壳体上，围绕着与旋转滑环相对的入口的嘴部；旋转滑环具有滑面，而静滑环具有滑面，其中滑面面向彼此并形成滑动轴承，该滑动轴承接收泵叶轮轴向指向泵壳体的力；用于在滑面之间产生流体动力润滑膜的在面向彼此的滑面的至少一个上形成的微结构，其中微结构包括构造为在至少一个滑面上储存液体冷却剂的腔体。

本发明首次提供了离心泵的，特别是冷却剂泵的泵叶轮和壳体之间的间隙密封上的微结构。

此外，本发明首次提供了一种离心泵的轴向轴承上的微结构，特别是由两个滑环形成的轴向滑动轴承。

在其最一般的形式中，本发明是基于在泵叶轮和壳体之间的间隙密封中流体动力润滑膜的产生。然而，这种流体动力润滑膜不是在化学需求，诸如能够润滑的添加剂的基础上形成的，而是在物理需求的基础上。根据本发明提供的流体动力润滑膜是在流体的局部约束收集、相反方向的旋转和静水压力的条件下，在面向彼此的表面之间自动形成的。旋转和静水压力是由泵叶轮的运行和取决于输送压力的收缩压力而建立的。根据本发明，液体或特定用途的冷却剂的局部结合是通过分布在表面上的腔体实现的，腔体的几何形状适合于在表面上收集或储存流体液滴。本发明的使用是最优化的，例如，关于冷却剂，特别是水/乙二醇混合物的润湿特性、表面张力、粘附力或流变性质来设定腔体的几何形状和尺寸。

根据本发明提供的、借助微结构产生的流体动力润滑膜有几个优点。

由于流体动力润滑膜中的静水压力，泵叶轮和壳体之间或两个滑环之间的直接表面接触很大程度上被阻止。因此，磨损非常小，从而实现了较长的使用寿命而密封效果没有任何劣化。

同样，由于在流体动力润滑膜处缺少直接的表面接触，实现了非常低的摩擦系数，其有助于提高泵的能源效率。

此外，流体动力润滑膜中的静水压力在泵的吸入压力和输送压力之间构成了有效密封的，分离的压力区。不同压力的分离区原则上构成了对抗流动渗透的障碍。此原理是众所周知的，例如，由在两个密封侧之间具有槽或腔室以提供多个不同的压力区的密封件。根据本发明提供的、借助微结构产生的流体动力润滑膜在泵的吸入侧和压缩侧之间永久地实现了密封效果，其比没有流体动力润滑膜的间隙密封更好。

总之，流体动力润滑膜减少了滑动环4、5的滑面40、50之间的静摩擦和滑动摩擦，同时提供了避免旋转的泵叶轮2和泵壳体1之间的直接接触的液压密封，从而实现了低摩擦和良好的耐磨性，用于利于提高使用寿命和运行可靠性。

本发明的有利发展在附属的技术方案中提供。

根据本发明的一个方面，滑环的材料可以与泵壳体的材料和泵叶轮的材料不同。例如，泵壳体由铝注塑生产，泵叶轮由合成注塑生产。然而，对于滑环来说，可以选择更合适的材料，即功能性材料或更硬的材料，以提供滑面或微结构。

根据本发明的一个方面，微结构可以在旋转滑环的滑面和静滑环的滑面上形成。通过在两个滑面上使用微结构，使用相同的表面密度的纳入的腔体收集的冷却剂液滴的总体积可能会增加一倍。

根据本发明的一个方面，旋转滑环和静滑环或至少旋转滑环和静滑环的形成滑面的相应部分可以由基于弹性体或合成树脂的材料或复合材料制成。通过使用弹性体，在腔体处发生剪切力时，可以在功能上利用黏塑性的特性，如将在下文中解释的。通过使用合成树脂，可以降低滑环的制造成本或用于生产待纳入的微结构的方法的制造成本。

根据本发明的一个方面，旋转滑环和静滑环或至少旋转滑环和静滑环的形成滑面的相应部分可以由基于金属或陶瓷的材料或合金制成。通过使用金属或陶瓷，可以实现高水平的表面硬度，从而实现高耐磨性。

根据本发明的一个方面，微结构可以仅在静滑环的滑面上形成。通过在两个滑面中的仅一个上使用微结构，可以降低制造成本。在这种情况下，静态滑面提供的优势是，微结构的腔体在操作期间不会受到离心力的影响。

根据本发明的一个方面，静滑环或至少静滑环的形成滑面的部分可以由基于弹性体或合成树脂的材料或复合材料制成。在前面提到的情况中，微结构仅仅纳入在静滑环上，因此，当在腔体处发生剪切力时，黏塑性特性可以在功能上进行利用，如将在下文中解释的。

根据本发明的一个方面，旋转滑环或至少旋转滑环的形成滑面的部分可以由基于金属或陶瓷的材料或合金制成。在前面提到的仅仅在静滑环上纳入微结构的情况下，可以因此在旋转滑环的相对滑面上产生具有低水平粗糙度，即低摩擦系数的光滑或抛光表面，以及用于永久维持低水平粗糙度的高水平表面硬度。

根据本发明的一个方面，微结构的腔体可以有朝向滑面的闭合轮廓。与表面粗糙度相比，该拓扑结构包含具有未限定轮廓的任何形状的腔体，该腔体的闭合轮廓确保可靠地收集液滴以在滑面之间建立流体动力润滑膜。

根据本发明的一个方面，微结构的腔体至周围表面在深度方向上可以有10至40μm的尺寸。在所述范围内，用于在滑面的微结构中收集特定用途的流体或冷却剂的腔体的毛细作用得以实现。

根据本发明的一个方面，微结构的腔体至周围表面在最短延伸方向上可以有15至200μm的尺寸。同样在此范围内，用于在滑面的微结构中收集特定用途的流体或冷却剂的腔体的毛细作用得以实现。

根据本发明的一个方面，腔体的形状可以是球形盖或椭圆盖、长孔或槽。与球形帽的形状相比，所列的其余形状允许与滑面上的旋转方向有关的微结构的定向和形状优化。

根据本发明的一个方面，彼此面向的滑面与泵轴垂直。在此实施例中，在滑面上产生了垂直的接触力，由此提供了建立静水压力和流体动力润滑膜的安全构造。

根据本发明的一个方面，泵叶轮可以直接连接到泵轴，而泵轴可以以相对于泵壳体可轴向移动的方式安装。在此实施例中，可以产生简单的连接，诸如，在轴周围的叶轮体的形状配合挤压。

根据本发明的一个方面，泵叶轮可以以可轴向移动的方式布置在泵轴上，并借助插入式联接进行联接。在此实施例中，可以减少可轴向移动的质量，从而减少质量惯性，即在建立静水压力和流体动力润滑膜时，可以改善彼此面向的滑面的轴向移动的响应特性。

下文将借助附图2中示出的示例性实施例对本发明进行更详细的解释。在附图中：

图1示出了现有技术中的冷却剂泵的横截面图；

图2示出了根据本发明的一个实施例的冷却剂泵的横截面图。

图1示出了传统的冷却剂泵。泵叶轮2布置成离泵壳体1的壳体孔的相对表面有很小的轴向距离。这个距离确定了所谓的间隙环密封的泄漏间隙，该泄漏间隙构成了具有较低压力p1的吸入区和具有较高压力p2的压缩区之间的障碍。间隙环密封的有效性取决于泄漏间隙的尺寸，由于较高压力p2和较低压力p1之间的压力差，作为已经加压的一部分输送流的泄漏通过该泄漏间隙逃回吸入区。

泵叶轮2相对于泵壳体1的轴向位置是固定的。泄漏间隙在图1中以放大的方式示出。为了对液体产生有效的间隙密封，间隙宽度一般优选为几十微米到几百微米。然而，离心泵或图1所示的冷却剂泵上的泄漏间隙的精确设定，如前所述，受到泵部件之间的调整的公差链的影响。因此，在大规模生产中，要确保图示的间隙环密封的整体密封效果更加困难。从压缩区到吸入区的泄漏构成了部分输送流的液压短路，并损害了泵的容积效率。根据本发明的冷却剂泵考虑了这个问题。

下文将参照图2描述根据本发明的冷却剂泵的实施例。

如从图2的轴向剖视图中可以看出，冷却剂泵的泵壳体1包括形成为泵室10的中空室，泵叶轮2容纳在泵室10中。泵叶轮2固定至泵轴3的自由端以与之共同旋转，所述泵轴在泵室10和未示出的驱动侧之间延伸。泵轴3通过径向轴承13安装，并以相对于泵壳体1轴向可移动的方式容纳在径向轴承13中。在泵壳体1的右手侧(未示出)，存在冷却剂泵的驱动侧，其上例如有皮带轮或电动机。

泵盖插入到泵壳体1的开放的轴向端，并朝泵轴3的在泵叶轮2处的端部封闭泵室10。泵盖形成了居中布置的吸入连接部11作为泵的入口6，该入口6轴向通向泵叶轮2的端面。泵叶轮2是具有中央入口开口的径向泵叶轮，该中央入口开口与泵室10中的吸入连接部11的嘴部相接。对抗泵叶轮2轴向流动穿过吸入连接部11的输送流通过内叶片加速径向向外离开泵室10。形成为螺旋形壳体12的泵的出口7与泵室10的周边相接，并终止于未示出的压力连接部，由此加速的输送流从泵壳体1排出。

旋转滑环4布置在泵叶轮2的轴向端上，且围绕泵叶轮2的入口开口并与泵叶轮2一起旋转。旋转滑环4穿过环形槽装配入泵叶轮2，并固定以随其共同旋转。与之轴向相对，静滑环5布置在泵壳体1上，并在旋转滑环4的径向区域内围绕着泵室10中的吸入连接部11的嘴部。静滑环5穿过环形槽装配入泵壳体1，并固定以随其共同旋转。

由于泵轴3在径向轴承13中的轴向可移动的安装，泵叶轮2可以相对于泵壳体1轴向移动。由于吸入连接部11的中央吸入区域的低压p1与螺旋形壳体12的径向外压缩区域的高压p2之间的压力差，在冷却剂泵运行期间泵叶轮2被拉向吸入连接部11，直到泵叶轮2上的旋转滑环4与泵壳体1上的静态滑环5相抵。旋转滑环4的面向泵壳体1的滑面40和静滑环5的面向泵叶轮2的滑面50因此一起形成轴向轴承。该轴向轴承和泵轴3的径向轴承13一起作为用于泵叶轮2在泵壳体1的泵室10中的旋转的安装部。

在轴向轴承的滑面40、50上包含有未示出的微结构。该微结构包括腔体，在该表面上冷却剂收集在该腔体中。微结构中，由于该面上分布有多个腔体，因此实现了表面湿润，即使在受到与面平行的剪切力时，该表面湿润也能以足够的压力(即静水压力)附着至表面。这意味着，即使当滑面40、50相对于彼此旋转时，垂直于旋转轴线的表面润湿也不会剥离。因此，在运行期间泵叶轮2和泵壳体1之间产生了流体动力润滑膜，在大部分的使用寿命内，该流体动力润滑膜防止旋转滑环4与静滑环5相抵进行直接接触，并同时减少轴向轴承中的摩擦。此外，两个滑面40、50之间的静水压力区构成了对抗压缩区域和吸入区域之间的输送流泄漏的障碍。因此在泵的运行期间，可以有效地防止处于高压力p2的部分输送流从螺旋形壳体12逃回低压力p1占主导地位的吸入连接部11的方向。

该微结构优选包含具有深度在10至40μm之间，宽度和长度在15至200μm之间的尺寸的腔体。在深度方向的横截面上，腔体有基本上圆形的轮廓，并且相对于表面而言，具有闭合的轮廓。这是通过以球形盖的形式纳入腔体而产生的。替代地，腔体可以具有椭圆形盖、长孔或槽的形状，其中轮廓的纵向轴线或横向轴线相对于环形滑面40、50的径向方向或周边方向定向。

在第一实施例中，轴向轴承由金属制成的静滑环5和金属制成的旋转滑环4形成，其中微结构纳入(几个)滑环5的滑面40、50二者中。

在第一实施例的变型中，轴向轴承由金属制成的静滑环5和金属制成的旋转滑环4形成，其中微结构仅纳入静滑环5的滑面50中。

在第二实施例中，轴向轴承由陶瓷制成的静滑环5和陶瓷制成的旋转滑环4形成，其中微结构纳入(几个)滑环5的滑面40、50二者中。

在第二实施例的变型中，轴向轴承由陶瓷制成的静滑环5和陶瓷制成的旋转滑环4形成，其中微结构仅纳入静滑环5的滑面50中。

在第三实施例中，轴向轴承由合成材料制成的静滑环5和合成材料制成的旋转滑环4形成，其中微结构纳入滑环5的滑面40、50二者中。

在第三实施例的变型中，轴向轴承由合成材料制成的静滑环5和合成材料制成的旋转滑环4形成，其中微结构仅纳入静滑环5的滑面50中。

在第四实施例中，轴向轴承由弹性体制成的静滑环5和弹性体制成的旋转滑环4形成，其中微结构纳入滑环5的滑面40、50二者中。

在第四实施例的变型中，轴向轴承由弹性体制成的静滑环5和弹性体制成的旋转滑环4形成，其中微结构仅纳入静滑环5的滑面50中。

在优选的第五实施例中，轴向轴承由黏塑性弹性体制成的静滑环5和金属制成的旋转滑环4形成，其中微结构仅纳入静滑环5的滑面50中。由金属制成的旋转滑环4的滑面40具有粗糙度较低的基本光滑的表面。相比之下，微结构所具有的弹性体的黏塑性质对于建立流体动力润滑膜时的响应特性具有以下有利影响。

当压力通过与滑面50的平面垂直的方向分量施加在腔体上时，或者由于静或滑动摩擦，剪切力沿滑面50的方向作用于腔体之间的滑面50的剩余部分或幅材时，腔体变形。该变形导致腔体的体积减少，从而使一些以毛细管方式保持的冷却剂排放入滑面50和滑面40之间的密封间隙。因此，滑面50的通过腔体处的收集被局部束缚的表面湿润，在流体动力润滑膜的建立起始时，受腔体的变形产生的额外的液体排放支持。在滑面40、50之间的旋转运动开始后，黏塑性弹性体中的腔体恢复其可逆的容纳排出的冷却剂体积的原始形状。

在优选的第五实施例的变型中，轴向轴承由黏塑性弹性体制成的静滑环5和陶瓷制成的旋转滑环4形成，其中微结构仅纳入静滑环5的滑面50中。

在所有实施例的替代性变型中，规定了轴向轴承由上述实施例中的静滑环5和上述实施例中的旋转滑环4的组合形成。

在所有实施例的进一步可能的变型中，规定了微结构只纳入在旋转滑环4的滑面40中。

替代的，微结构可以具有来自各种形状的腔体的混合，诸如球形盖、椭圆形盖、长孔或槽，其中相应形状的轮廓的纵向轴线或横向轴线相对于环形滑面40、50的径向方向或周边方向可以具有相同或不同的定向。

在冷却剂泵的未示出的替代性设计中，泵叶轮2可以借助插入式联接在泵室10内轴向移动。在此情况下，泵轴3可以径向和轴向安装，或者仅仅径向安装。泵叶轮2通过泵轴上的插入式连接被容纳，该插入式连接在旋转方向上提供了形状配合连接，并允许在轴向方向上的空隙。

此外，本发明不仅可以在径向泵型的冷却剂泵上实施，还可以在轴向泵型或半轴向泵型的冷却剂泵上实施。

附图标记列表

1 泵壳体

2 泵叶轮

3 泵轴

4 旋转滑环

5 静滑环

6 入口

7 出口

10 泵室

11 吸入连接部

12 螺旋形壳体

13 径向轴承

p1 低压力

p2 高压力

Claims (15)

1.一种用于输送冷却剂循环的冷却剂泵，包括：

具有泵室(10)的泵壳体(1)，泵叶轮(2)可旋转地容纳在所述泵室中，入口(6)和出口(7)与所述泵室(10)相连接，其中进入所述泵室(10)的所述入口(6)的嘴部指向所述泵叶轮(2)的进口开口；

可旋转地安装在所述泵壳体(1)上并从与所述入口(6)的相对侧延伸进入所述泵室(10)的泵轴(3)，其中所述泵叶轮(2)以相对于泵壳体(1)的可轴向移动的方式安装，并安装用于与所述泵轴(3)共同旋转；

其特征在于：

布置在所述泵叶轮(2)上朝向所述进口开口的轴向端部的旋转滑环(4)；

布置在与所述旋转滑环(4)相对的所述入口(6)的所述嘴部周围的所述泵壳体(1)上的静滑环(5)；其中

所述旋转滑环(4)具有滑面(40)，而所述静滑环(5)具有滑面(50)，其中所述滑面(40、50)面向彼此并形成滑动轴承，所述滑动轴承接收从所述泵叶轮(2)轴向指向所述泵壳体(1)的力；以及

用于在所述滑面(40、50)之间产生流体动力润滑膜的在面向彼此的所述滑面(40、50)的至少一个上形成的微结构，其中所述微结构包括构造为在所述至少一个滑面(40、50)上收集液体冷却剂的腔体。

2.根据权利要求1所述的冷却剂泵，其特征在于，

所述滑环(4、5)的材料与所述泵壳体(1)的材料不同且与所述泵叶轮(2)的材料不同。

3.根据权利要求1或2所述的冷却剂泵，其特征在于，

所述微结构形成在所述旋转滑环(4)的所述滑面(40)上和所述静滑环(5)的所述滑面(50)上。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的冷却剂泵，其特征在于，

所述旋转滑环(4)和所述静滑环(5)或至少所述旋转滑环和所述静滑环的形成所述滑面(40、50)的相应部分是由基于弹性体或合成树脂的材料或复合材料制成。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的冷却剂泵，其特征在于，

所述旋转滑环(4)和所述静滑环(5)或至少所述旋转滑环和所述静滑环的形成所述滑面(40、50)的相应部分是由基于金属或陶瓷的材料或合金制成。

6.根据权利要求1或2所述的冷却剂泵，其特征在于，

所述微结构仅在所述静滑环(5)的所述滑面(50)上形成。

7.根据权利要求6所述的冷却剂泵，其特征在于，

所述静滑环(5)或至少所述静滑环的形成所述滑面(50)的部分是由基于弹性体或合成树脂的材料或复合材料制成。

8.根据权利要求6所述的冷却剂泵，其特征在于，

所述旋转滑环(4)或至少所述旋转滑环的形成所述滑面(40)的部分是由基于金属或陶瓷的材料或合金制成。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的冷却剂泵，其特征在于，

所述微结构的所述腔体具有朝向所述滑面(40、50)的表面闭合的轮廓。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的冷却剂泵，其特征在于，

所述微结构的所述腔体在深度方向上至周围表面具有10至40μm的尺寸。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的冷却剂泵，其特征在于，

所述微结构的所述腔体在最短延伸方向上至所述周围表面具有15至200μm的尺寸。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的冷却剂泵，其特征在于，

所述腔体具有球形盖、椭圆盖、长孔或槽的形状。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的冷却剂泵，其特征在于，

彼此面向的所述滑面(40、50)垂直于所述泵轴(3)。

14.根据权利要求1至13中任一项所述的冷却剂泵，其特征在于，

所述泵叶轮(2)直接与所述泵轴(3)相连接，并且所述泵轴(3)相对于所述泵壳体(1)以可轴向移动的方式安装。

15.根据权利要求1至13中任一项所述的冷却剂泵，其特征在于，

所述泵叶轮(2)以可轴向移动的方式布置在所述泵轴(3)上，并借助插入式联接来联接。

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