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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Koppelungsvorrichtung für eine Kühlmittelpumpe
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, ein Verfahren zum Koppeln
zumindest einer Antriebswelle mit zumindest einem Koppelelement
einer Koppelungsvorrichtung für
eine Kühlmittelpumpe
nach einem der Ansprüche
1 bis 14 sowie eine Pumpe zum Kühlmittelpumpen
für ein
Kraftfahrzeug.
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Kraftfahrzeuge
weisen zumindest einen Kühlkreislauf
zur Kühlung
bis zumindest einem Verbrennungsmotors auf. Das Kühlmittel,
insbesondere Kühlwasser,
das auch noch andere Substanzen enthalten kann, wird in den Kühlmittelkreislauf
von dem zumindest einen Kühler,
insbesondere Kühlmittelkühler zum
Verbrennungsmotor befördert
und anschließend
vom Verbrennungsmotor wieder zurück zum
Kühler
gefördert.
Das Kühlmittel,
insbesondere das Kühlwasser,
wird dabei mittels zumindest einer Pumpe, insbesondere mittels zumindest
einer Kühlmittelpumpe,
durch den Kühlkreislauf
gepumpt.
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Dabei
wird die Kühlmittelpumpe
zumeist von dem zumindest einen Verbrennungsmotor angetrieben. Dadurch
ist das Fördervolumen
der Pumpe, insbesondere der Wasserpumpe, zumeist proportional zur
Drehzahl des Verbrennungsmotors sowie zur Pumpendrehzahl. Insbesondere
bei hohen Motor drehzahlen und bei großen Motorlasten ist der mittels der
Pumpe erzeugte Wasserstrom zur Kühlung
des Verbrennungsmotors erforderlich.
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In
anderen Betriebszuständen
des Verbrennungsmotors wird nicht die maximale Kühlleistung benötigt, so
dass aus Gründen
der Leistungseinsparung der Volumenstrom durchaus verringert werden kann.
Bei diesen Lastzuständen
ist es wünschenswert,
die Pumpe, insbesondere die Wasserpumpe mit kleineren Drehzahlen
zu betreiben.
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Bei
den bereits bekannten Verfahren ist dafür jedoch ein hoher technischer
Aufwand erforderlich.
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Ein
bereits bekanntes Verfahren stellt das Visco®-Prinzip
dar. Hierbei wird die Regelung der Pumpe, insbesondere der Wasserpumpe,
mittels Flüssigkeitsreibung
vorgenommen. Hierbei ist jedoch immer ein gewisser Schlupf zwischen
Antriebsdrehzahl, insbesondere des Motors und der Pumpendrehzahl
vorhanden, wodurch die maximal mögliche
Fördermenge
an Kühlmittel
reduziert wird.
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Aus
der
DE 102 004 009 073 ist
ein regelbarer Antrieb für
ein Kraftfahrzeug, insbesondere für eine Wasserpumpe in einem
Kraftfahrzeug bekannt. Zwischen dem Antriebs- und Abtriebskörper ist
ein Kupplungsbereich vorgesehen, welcher ein viskoses Fluid aufnehmen
kann und den Antriebs- und Abtriebskörper koppelbar ausgestaltet.
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Aus
der
DE 199 32 359 ist
ein Antrieb für
eine Kühlmittelpumpe
bekannt. Die Kühlmittelpumpe
besteht aus einer antreibbaren Riemenscheibe und einem über eine
Flüssigkeitsreibungskupplung
angetriebenes Kühlmittelpumpenrad.
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Neben
dem Visco
®-Prinzip
sind Kühlmittelpumpen
nach dem Magnet-Prinzip beispielsweise aus der
DE 197 46 359 bekannt. Bei derartigen
Pumpen wird das Flügelrad
der Kühlmittelpumpe über eine
dauermagnetische Kupplung angetrieben, bei welcher sich auf einer
der beiden einander zugeordneten Kupplungswellen eine mehrpolig
sektorenförmig
magnetisierte Magnetschei be befindet und auf der anderen Kupplungswelle
eine Scheibe aus Hysteresewerkstoff oder eine solche mit einer an
dieser angeordneten Kupferscheibe befindet. Derartige Pumpen sind
als regelbare Kühlmittelpumpen
für Kraftfahrzeuge
mit direktem Antrieb ausgebildet.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Koppelungsvorrichtung
für eine
Kühlmittelpumpe
der eingangs genannten Art zu verbessern, insbesondere eine derartige
Koppelungsvorrichtung kostengünstiger
und einfacher auszubilden, sowie insbesondere in bestimmten Betriebspunkten
die Fördermenge
gänzlich
anzuhalten oder zu minimieren, ohne dabei auf die maximal mögliche Fördermenge zu
verzichten. Insbesondere in der Warmlaufphase, in der der Motor
nach einem Kaltstart auf seine Betriebstemperatur gebracht werden
muss, soll die Fördermenge
minimiert werden können,
so dass insbesondere eine beschleunigte Erwärmung des Motors erreicht wird
und auf diese Weise die Schadstoffanteile im Abgas und damit die
Umweltbelastung reduziert werden kann.
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Die
Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Es
wird eine Koppelungsvorrichtung für eine Kühlmittelpumpe vorgeschlagen,
die zumindest eine Antriebswelle, zumindest ein mittels der Antriebswelle
antreibbares Koppelelement aufweist, wobei die Koppelungseinheit
zumindest einen Thermoaktuator aufweist, welcher derart ausgebildet
ist, dass der Thermoaktuator zumindest einen ersten Zustand einnehmen
kann, bei dem das zumindest eine Koppelelement drehfest mit der
Antriebswelle verbunden ist, und dass der Thermoaktuator zumindest
einen zweiten Zustand einnehmen kann, bei dem das zumindest eine
Koppelelement drehbar mit der Antriebswelle verbunden ist.
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Die
Koppelungsvorrichtung ist dabei insbesondere für eine Kühlmittelpumpe geeignet, kann aber
auch für
jede andere Pumpe geeignet sein. Mittels der zumindest einen Antriebswelle,
welche insbesondere von dem Verbrennungsmotor angetrieben werden
kann, ist zumindest ein Koppelelement, insbesondere ein Laufrad
für eine
Pumpe, antreibbar bzw. kann angetrieben werden bzw. wird angetrieben.
Die Koppelungsvorrichtung weist zumindest einen Thermoaktuator auf.
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Unter „Thermoaktuator" ist dabei ein Aktuator
zu verstehen, der bei thermischen Änderungen, insbesondere Temperaturänderungen,
reagiert. Dabei kann der Thermoaktuator zumindest einen ersten Zustand
einnehmen, bei dem zumindest ein Koppelelement, insbesondere ein
Laufrad für
eine Pumpe, drehfest und insbesondere drehmomentübertragbar, mit der Antriebswelle
verbunden ist. Ferner kann der Thermoaktuator zumindest einen zweiten
Zustand einnehmen, bei dem das zumindest eine Koppelelement, insbesondere
das Laufrad für
eine Pumpe, drehbar mit der Antriebswelle verbunden ist. Insbesondere
kann der Thermoaktuator bewirken, dass bei einem Temperaturwechsel
vom ersten Zustand in den zweiten Zustand gewechselt werden kann und/oder
umgekehrt. Insbesondere kann der Thermoaktuator bei einem Temperaturwechsel
und/oder beim Über-
oder Unterschreiten einer Grenztemperatur von dem ersten Zustand,
bei dem das zumindest eine Koppelelement drehfest mit der Antriebswelle verbunden
ist, in einen zweiten Zustand wechseln, bei dem das zumindest eine
Koppelelement drehbar mit der Antriebswelle verbunden ist und/oder
von dem zweiten Zustand in den ersten Zustand wechseln.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das zumindest eine
Koppelelement zumindest ein Pumpenlaufrad für eine Kühlmittelpumpe.
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Ferner
kann vorgesehen sein, dass der zumindest eine Thermoaktuator ein
Bimetallelement ist. Unter einem „Bimetallelement" ist ein Metall zu
verstehen, welches aus zwei metallischen Schichten mit einer jeweils
unterschiedlichen spezifischen Wärmedehnung
besteht. Diese zwei metallischen Schichten sind insbesondere miteinander
verbunden. Bei einer Temperaturänderung
erfährt
die eine Schicht eine andere Wärmedehnung
als die andere Schicht. Aufgrund der Verbindung der beiden metallischen Schichten
kommt es deshalb bei einer Temperaturänderung zu einer mechanischen
Verformung.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Thermoaktuator
zumindest zeitweise, insbesondere bei Raumtemperatur, kugelsegmentförmig ausgebildet
und/oder weist zumindest einen ersten Kugelsegmentradius r und/oder
zumindest einen ersten Kugelsegmentradius und/oder zumindest eine Kugelsegmenthöhe auf.
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Die
Umstülphöhe kann
dabei insbesondere den Verschiebungsweg darstellen, der zur Überführung des
ersten Zustands in den zweiten Zustand und/oder umgekehrt von dem
Koppelelement zurückzulegen
ist bzw. von diesem zurückgelegt
wird.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführung weist der Thermoaktuator
zumindest einen Kugelradius R auf und/oder weist zumindest eine
Bohrung mit zumindest einem ersten Bohrungsdurchmesser BD auf.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführung sind in dem ersten Zustand
die zumindest eine Antriebswelle und das zumindest eine Koppelelement drehmomentübertragbar,
insbesondere drehfest, miteinander verbunden und/oder sind in dem
zweiten Zustand die zumindest eine Antriebswelle und das zumindest
eine Koppelelement, insbesondere das Pumpenlaufrad, drehbar miteinander
verbunden.
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Auf
diese Weise kann das zumindest eine Koppelelement, insbesondere
das Pumpenlaufrad im ersten Zustand drehbar mit der Antriebswelle
verbunden sein, so dass in der Aufwärmehase eines Kraftfahrzeugs
oder bei geringen Lasten des Verbrennungsmotors das Pumpenlaufrad
mit geringer Drehzahl betrieben wird und/oder keine Drehbewegung ausführt, wodurch
eine geringe Durchströmung
des Kühlmittelkreislaufs
mit Kühlmittel
und/oder keinerlei Durchströmung
des Kühlkreislaufs
mit Kühlmittel
erfolgt.
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In
dem zweiten Zustand sind die zumindest eine Antriebswelle und das
zumindest eine Koppelelement drehmomentübertragbar, insbesondere drehfest,
miteinander verbunden. Unter „drehmomentübertragbar" ist dabei zu verstehen,
dass von der Antriebswelle ein Drehmoment auf das zumindest eine Koppelelement,
insbesondere das Pumpenlaufrad, übertragen
wird bzw. übertragen
werden kann. Dies kann besonders vorteilhaft bei einer hohen Drehzahl des
Verbrennungsmotors und/oder bei einer hohen Leistung des Verbrennungsmotors
sein, da eine hohe Durchströmung
des Kühlmittelkreislaufs
mit Kühlmittel
erfolgen kann.
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Ferner
kann in einer vorteilhaften Weiterbildung vorgesehen sein, dass
das Koppelelement, insbesondere das Pumpenlaufrad, eine Umstülphöhe aufweist
zur Umstülpung
des zumindest einen Koppelelements von dem ersten Zustand in den
zweiten Zustand und/oder umgekehrt. Auf diese Weise kann besonders
vorteilhaft die drehbar mit dem Koppelelement verbundene Antriebswelle
in eine drehfeste und/oder drehmomentübertragbare Verbindung zwischen
Antriebswelle und Koppelelement überführt werden
bzw. die drehfeste und/oder drehmomentübertragbare Verbindung zwischen
Antriebswelle und dem zumindest einen Koppelelement kann besonders
vorteilhaft in eine drehbare Verbindung zwischen dem zumindest einen
Koppelelement und der zumindest einen Antriebswelle überführt werden.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausbildung besteht zwischen der Umstülphöhe, dem
ersten Kugelsegmentradius und dem Kugelradius der Zusammenhang:
H = 2[R – (R2 – r2)½]. Auf diese Weise
kann besonders vorteilhaft das Thermoelement derart ausgebildet
werden, dass die gewünschte
Umstülphöhe erreicht
wird. Die Umstülphöhe kann
dabei insbesondere den Verschiebungsweg darstellen, der zur Überführung des
ersten Zustands in den zweiten Zustand und/oder umgekehrt von dem
Koppelelement zurückzulegen
ist bzw. von diesem zurückgelegt wird.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist das Koppelelement
zumindest ein erstes zahnförmiges
Element mit einer ersten Höhe
auf und/oder es gilt H > zh1.
Auf diese Weise kann besonders vorteilhaft das zumindest eine Koppelelement,
insbesondere das Pumpenlaufrad, drehfest und/oder drehmomentübertragbar
mit der zumindest einen Antriebswelle verbunden werden. Ferner kann
dadurch, dass H > zh1
ist, der Wechsel vom Zustand in den Zustand 2 und/oder umgekehrt
besonders vorteilhaft erfolgen.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführung weist die zumindest eine
mit der Antriebswelle drehfest verbindbaren Nabe zumindest ein zweites
zahnförmiges
Gegenelement mit einer zweiten Höhe
auf und/oder es gilt H > zh2.
Auf diese Weise kann das zweite zahnförmige Gegenelement besonders
vorteilhaft ein Drehmoment auf das erste zahnförmige Element und/oder umgekehrt übertragen
und auf diese Weise besonders vorteilhaft die zumindest eine mit
der Antriebswelle drehfest verbindbare Nabe und/oder die Antriebswelle
selbst im Drehmoment übertragbar
mit dem Koppelelement, insbesondere dem Pumpenlaufrad, verbinden.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführung sind das zumindest eine
erste Element und das zumindest eine zweite Gegenelement zur Drehmomentübertragung
zumindest abschnittsweise in Eingriff einbringbar bzw. werden in
Eingriff gebracht bzw. sind im Eingriff. Auf diese Weise kann das
Drehmoment von der Antriebswelle auf das Koppelelement, insbesondere
das Pumpenlaufrad, besonders vorteilhaft übertragen werden und/oder umgekehrt.
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Weiterhin
kann besonders bevorzugt vorgesehen werden, dass die zumindest eine
Nabe zumindest eine Nut, insbesondere zumindest eine spiralförmig ausgebildete,
insbesondere umlaufend ausgebildete, Nut, zur Beströmung des
Thermoaktuators mit Kühlmittel
aufweist. Auf diese Weise sind die Reaktionszeiten des Thermoaktuators
besonders kurz. Auf diese Weise kann besonders vorteilhaft bei Bedarf schnell
vom ersten Zustand auf den zweiten Zustand umgeschaltet werden bzw.
von dem zweiten Zustand auf den ersten Zustand umgeschaltet werden.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist ein Randabschnitt
des Thermoaktuators zumindest abschnittsweise mit dem zumindest
einen Koppelelement verdrehfest verbunden und/oder der Thermoaktuator
drehbar mit einer Buchse verbunden.
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Ferner
kann vorgesehen sein, dass der Thermoaktuator drehbar mit dem zumindest
einen Koppelelement, insbesondere dem Pumpenlaufrad, ver bunden ist
und/oder der Thermoaktuator verdrehfest mit der Nabe verbunden ist.
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Erfindungsgemäß wird weiter
ein Verfahren zum Koppeln zumindest einer Antriebswelle mit zumindest
einem Koppelelement einer Koppelungsvorrichtung für eine Kühlmittelpumpe
nach einem der Ansprüche
1 bis 14 vorgeschlagen.
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In
einer vorteilhaften Weiterbildung nimmt der sich im ersten Zustand
befindliche Thermoaktuator den zweiten Zustand ein, wenn eine Temperatur
T des Kühlmittels
einen unteren Temperaturgrenzwert unterschreitet und/oder der sich
im zweiten Zustand befindliche Thermoaktuator den ersten Zustand
einnimmt, wenn die Temperatur des Kühlmittels einen oberen Temperaturgrenzwert überschreitet.
Auf diese Weise kann besonders vorteilhaft sein, dass das zumindest
eine Koppelelement, insbesondere das Pumpenlaufrad drehfest und/oder
drehbar mit der zumindest einen Antriebswelle verbindet, wenn ein
unterer Temperaturgrenzwert überschritten
und/oder ein oberer Temperaturgrenzwert unterschritten wird.
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Erfindungsgemäß wird weiter
eine Pumpe zum Kühlmittelpumpen
für ein
Kraftfahrzeug mit einer Koppelungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis
14 und/oder betrieben mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 15 oder
16 vorgeschlagen.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen
und aus der Zeichnung. Die Gegenstände der Unteransprüche beziehen
sich sowohl auf die erfindungsgemäße Koppelungsvorrichtung, das
erfindungsgemäße Verfahren
zum Koppeln zumindest einer Antriebswelle mit zumindest einem Koppelelement
einer Koppelvorrichtung sowie auf die erfindungsgemäße Pumpe
zum Kühlmittelpumpen
für ein
Kraftfahrzeug.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert, wobei
eine Beschränkung
der Erfindung hierdurch nicht erfolgen soll. Es zeigen:
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1:
eine Schnittdarstellung einer Pumpe zum Kühlmittelpumpen mit einer einen
Thermoaktuator aufweisenden Koppelungsvorrichtung;
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2:
eine Schnittdarstellung des drehfest, drehmomentübertragbar mit der Antriebswelle
verbundenen Pumpenlaufrads (erster Zustand);
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3:
eine Schnittdarstellung des drehbar mit der Antriebswelle verbundenen
Pumpenlaufrads (zweiter Zustand);
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4:
eine Draufsicht des Thermoelements;
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5:
eine Schnittdarstellung des Thermoelements im ersten Zustand und
im zweiten Zustand;
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6:
eine weitere Schnittdarstellung des Thermoelements im ersten Zustand
und im zweiten Zustand;
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7:
zeigt ein Schaubild mit dem Weg-Temperatur-Verhalten des Thermoaktuators.
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1 zeigt
eine Schnittdarstellung einer Pumpe 1 zum Kühlmittelpumpen
mit einer einen Thermoaktuator 21, 22 aufweisenden
Koppelungsvorrichtung 2.
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Die
Pumpe 1 zum Kühlmittelpumpen
weist ein Pumpenlaufrad 3, ein erstes Gehäuseelement 4 und
ein zweites Gehäuseelement 5 auf.
Ferner weist die Pumpe 1 eine Antriebswelle 10 auf,
die im dargestellten Ausführungsbeispiel über eine
Riemenscheibe 6 von einer nicht dargestellten Antriebseinheit, insbesondere
dem nicht dargestellten Verbrennungsmotor, angetrieben wird bzw.
antreibbar ist.
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Die
Riemenscheibe 6 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel
mit einem Antriebsflanschelement formschlüssig über erste Verbindungselemente 8,
insbesondere Schrauben, verbunden. Die Riemenscheibe 6 kann über eine,
zwei, drei, vier oder mehr als vier erste Verbindungselemente 8,
insbesondere Schrauben, mit dem Antriebsflanschelement 7 verbunden
sein. In einem anderen Ausführungsbeispiel
ist die Riemenscheibe 6 einteilig mit dem Antriebsflanschelement 7 ausgebildet.
Die Riemenscheibe 6 ist aus einem Metall wie beispielsweise Stahl
oder Aluminium oder aus einem Kunststoff oder aus einem Faserverbundwerkstoff
oder aus einem Keramikwerkstoff ausgebildet. Die Riemenscheibe 6 weist
nicht näher
bezeichnete zahnförmige,
insbesondere rillenförmige,
Aussparungen auf, in die ein nicht dargestellter Zahnriemen, insbesondere
Vielkeilriemen, eingreifen kann. In einem anderen nicht dargestellten
Ausführungsbeispiel
wird die Riemenscheibe von einer Zahnkette angetrieben, wobei die Riemenscheibe 6 als
Zahnrad ausgebildet ist. Die Riemenscheibe 6 kann mittels
eines umformenden Fertigungsverfahrens wie Stanzen, Prägen und/oder mittels
eines urformenden Fertigungsverfahrens wie Gießen und/oder mittels eines
abtragenden Fertigungsverfahrens wie beispielsweise Fräsen, Drehen, Bohren
usw. hergestellt werden.
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Das
Antriebsflanschelement 7 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel
als ringförmiges
Element ausgebildet, das einen nicht näher bezeichneten Nabenabschnitt
aufweist. Das Antriebsflanschelement 7 ist im dargestellten
Ausführungsbeispiel
aus Metall wie beispielsweise Stahl oder Aluminium oder aus einem
Faserverbundwerkstoff oder aus Keramik oder aus einem Kunststoff
ausgebildet. Das Antriebsflanschelement 7 ist mittels eines
urformenden Fertigungsverfahren wie beispielsweise Spritzgießen oder
Druckgießen
und mittels eines abtragenden Fertigungsverfahren wie beispielsweise
Drehen, Fräsen,
Bohren, Gewindeschneiden hergestellt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel
weist das Antriebsflanschelement 7 zumindest zwei nicht
näher bezeichnete
Antriebsflanschelementbohrungen mit einem Gewinde auf, so dass die
Riemenscheibe 6 über die
ersten Verbindungselemente 8 mit dem Antriebsflanschelement 7 verbunden
werden kann.
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Der
nicht näher
bezeichnete Antriebsflanschelement-Nabenabschnitt ist mit der Antriebswelle 10 drehfest
verbunden. Insbesondere ist das Antriebsflanschelement 7 mit
dem Antriebsflanschelement-Nabenbereich auf den ersten Antriebswellenabschnitt 111 aufgeschrumpft.
In einem andern Ausführungsbeispiel
ist das Antriebsflanschelement 7 stoffschlüssig oder
formschlüssig
mit der Antriebswelle 10 verbunden.
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Die
Antriebswelle 10 weist neben dem ersten Antriebswellenabschnitt 111 einen
zweiten Antriebswellenabschnitt 112 und zumindest einen
dritten Antriebswellenabschnitt 13 auf. Die Antriebswelle 10 ist aus
einem Metall wie beispielsweise Stahl oder aus einem anderen Werkstoff
ausgebildet. Die Antriebswelle 10 ist mittels eines urformenden
Fertigungsverfahrens wie beispielsweise Gießen und/oder mittels eines
abtragenden Fertigungsverfahrens wie Drehen oder Fräsen oder
Schleifen hergestellt.
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Auf
dem zweiten Antriebswellenabschnitt 112 ist ein Lager 11 angeordnet.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel
ist das Lager 11 als zweireihiges Rillenkugellager ausgebildet.
In einem anderen Ausführungsbeispiel
ist das Lager 11 als einreihiges Kugellager oder als ein-
oder zweireihiges Rollenlager oder als ein- oder zweireihiges Tonnenlager
oder in einem anderen Ausfühungsbeispiel
als Gleitlager ausgebildet. Das Lager 11 weist nicht näher bezeichnete
Kugeln sowie einen nicht näher
bezeichneten äußeren Lagerring
und/oder einen nicht näher
bezeichneten inneren Lagerring auf. Im dargestellten Ausführungsbeispiel
ist der innere Lagerring auf den zweiten Antriebswellenabschnitt 2 aufgebracht,
insbesondere aufgeschrumpft. Auf diese Weise sind der nicht näher bezeichnete
innere Lagerring und der zweite Antriebswellenabschnitt 112 mittels
einer Presspassung verbunden. Der nicht näher bezeichnete äußere Lagerring
des Lagers 11 ist in einen nicht näher bezeichneten zylinderförmigen Lagerabschnitt
des zweiten Pumpengehäuseelements 5 eingeschoben
bzw. eingepresst, so dass insbesondere zwischen dem zweiten Pumpengehäuseelement 5 und
dem nicht näher
bezeichneten äußeren Lagerring
eine Presspassung bzw. eine Übergangspassung
herrscht. Das Lager 11 ist bis zu einer nicht näher bezeichneten
Schulter des zweiten Pumpengehäuseelements 5 in
das zweite Pumpengehäuseelement 5 eingeschoben
bzw. eingepresst. Ferner ist auf dem dritten Wel lenabschnitt 13 eine
Wellendichtung 12 aufgebracht. Zumindest eine Wellendichtung 12 dichtet
den Pumpenraum 26 gegenüber
dem Lager und gegenüber
dem nicht näher
bezeichneten Außenbereich
ab, so dass kein Medium, wie beispielsweise Kühlmittel wie Kühlwasser
aus dem Pumpenraum 26 nach außen bzw. zum Lager gelangen
kann. Das zweite Pumpengehäuseelement 5 ist
im dargestellten Ausführungsbeispiel
als Gusselement ausgebildet. Das zweite Pumpengehäuseelement 5 ist
aus einem Werkstoff wie Stahl oder Aluminium oder aus einem Faserverbundwerkstoff
oder aus Kunststoff oder aus Keramik oder aus einem anderen Metall oder
Nichtmetall ausgebildet. Ferner sind die Lagerabschnitte und die
Dichtungsabschnitte beispielsweise mittels eines abtragenden Fertigungsverfahrens
wie beispielsweise mittels eines spanenden Verfahrens wie Drehen,
Fräsen,
Schleifen, Bohren usw. bearbeitet, ebenso wie der nicht näher bezeichnete Berührabschnitt
zwischen dem zweiten Pumpengehäuseelement 5 und
dem ersten Pumpengehäuseelement 4.
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Neben
dem zweiten Pumpengehäuseelement 5 weist
die Pumpe 1 zumindest ein erstes Pumpengehäuseelement 4 auf.
Das Pumpengehäuseelement 4 ist
aus einem Metall wie beispielsweise Stahl oder Aluminium oder aus
einem anderen Metall und/oder aus Keramik und/oder aus Kunststoff und/oder
aus einem Faserverbundwerkstoff oder aus einem anderen Nichtmetall
ausgebildet. Insbesondere ist das erste Pumpengehäuseelement 4 mittels
eines urformenden Fertigungsverfahrens wie beispielsweise Gießen und/oder
mittels eines umformenden Fertigungsverfahrens wie beispielsweise Senkschmieden
oder Pressen und/oder mittels eines abtragenden Fertigungsverfahrens,
insbesondere eines spanabhebenden Fertigungsverfahrens wie beispielsweise
Drehen, Fräsen,
Bohren, Schleifen usw. hergestellt.
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Im
dargestellten Ausführungsbeispiel
sind das erste Pumpengehäuseelement 4 und
das zumindest eine zweite Pumpengehäuseelement 5 formschlüssig mittels
zumindest eines zweiten Verbindungselements 9, insbesondere
mittels einer zumindest einen Schraube, verbunden. Das erste Pumpengehäuseelement 4 und
das zweite Pumpengehäuseelement 5 sind
insbesondere dichtend miteinander verbunden, so dass kein Kühlmittel
wie beispielsweise Kühlwasser
aus dem Pumpenraum 26 nach außen gelangen kann.
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In
einem anderen Ausführungsbeispiel
sind das erste Pumpengehäuseelement 4 und
das zumindest eine zweite Pumpengehäuseelement 5 einteilig ausgebildet.
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Im
Pumpenraum 26 ist zumindest ein Pumpenlaufrad 3 angeordnet.
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Das
Pumpenlaufrad 3 weist zumindest eine, zwei, drei, vier,
fünf, sechs
oder mehr als sechs Pumpenschaufeln auf. Mittels der Pumpenschaufeln 14 wird
Kühlmittel
wie beispielsweise Kühlwasser
oder eine wasserhaltige Kühlflüssigkeit
in Richtung der Kühlmittelströmungsrichtung
KMSR in den Pumpenraum 26 befördert.
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In
einem anderen Ausführungsbeispiel
wird Kühlmittel
entgegen des Kühlmittelströmungsrichtungspfeils
KMSR von der Pumpe, insbesondere von dem Pumpenlaufrad 3 gefördert. Die
Pumpe wirkt bei diesem Ausführungsbeispiel
als Turbine. Das Pumpenlaufrad 3, insbesondere das Koppelelement, weist
zumindest einen Durchtrittskanal 29, insbesondere eine
Mehrzahl an Durchtrittskanälen
zum Durchtritt und zur Beströmung
des zumindest einen Thermoaktuators 21, 22 auf.
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Das
Pumpenlaufrad 3 ist mit der Antriebswelle 10 mittels
einer Koppelungsvorrichtung 2 derart koppelbar, dass in
einem Zustand 1 das Pumpenlaufrad 3 mit der Antriebswelle 10 drehfest
und/oder drehmomentübertragbar
verbunden ist und in einem zweiten Zustand das Pumpenlaufrad 3 und
die Antriebswelle 10 drehbar miteinander verbunden sind, so
dass keine Koppelung, insbesondere keine drehfeste Koppelung, zwischen
dem Pumpenlaufrad 3 und der Antriebswelle 10 besteht.
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Dazu
ist das Pumpenlaufrad 3 derart ausgebildet, dass es im
Bereich der Pumpenlaufradnabe 15 mit einem Nabenelement 16 formschlüssig und/oder
stoffschlüssig
verbunden ist. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann das Pumpenlaufrad 3 und
das Nabenelement 16 einteilig ausgebildet sein.
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Das
Pumpenlaufrad 3 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel
mittels eines urformenden Fertigungsverfahrens wie beispielsweise
Gießen und/oder
mittels eines abtragenden Fertigungsverfahrens wie beispielsweise
mittels eines spanabhebenden Fertigungsverfahrens wie Drehen, Fräsen, Bohren,
Schleifen usw. hergestellt und/oder bearbeitet. Das Pumpenlaufrad
ist vorzugsweise aus Metall wie beispielsweise Stahl oder Aluminium
oder aus einem Kunststoff oder aus einem Faserverbundwerkstoff oder
beispielsweise aus Keramik oder aus einem anderen Nichtmetall ausgebildet.
Ebenso ist das Nabenelement 16 aus einem metallischen Werkstoff wie
Stahl oder Aluminium oder aus einem anderen Metall oder aus Kunststoff
oder aus einem Faserverbundwerkstoff oder aus Keramik oder aus einem
anderen Nichtmetall ausgebildet.
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Das
Nabenelement 16 ist hohlzylinderartig ausgebildet. Das
Nabenelement 16 weist einen nicht näher bezeichneten Schulterring
und/oder zumindest eine zumindest abschnittsweise ringförmig ausgebildete
Ausprägung
auf, mit der das Nabenelement 16 in eine nicht näher bezeichnete
Nut der Pumpenlaufradnabe 15 eingreift. Aus dem Nabenelement 16 ist zumindest
ein zweites zahnförmiges
Gegenelement 20 ausgebildet. Insbesondere sind, zumindest
ein, zwei, drei, vier, fünf,
sechs, sieben oder mehr als sieben zahnförmige zweite Gegenelemente 20 aus
dem Nabenelement 16 ausgebildet. In der nicht näher bezeichneten
Nabenelementöffnung
des Nabenelements 16 ist eine Buchse 17 derart
angeordnet, dass die Buchse 17 zumindest abschnittsweise
konzentrisch in dem Nabenelement 16 angeordnet ist. Die Buchse 17 berührt mit
einer nicht näher
bezeichneten Buchsenfläche
eine nicht näher
bezeichnete Innenfläche
des Nabenelements 16 zumindest abschnittsweise. Im dargestellten
Ausführungsbeispiel
weist die Buchse 17 zumindest eine Nabennut 25 auf,
die beispielsweise spiralförmig
ausgebildet ist und einen nicht näher bezeichneten Steigungswinkel
von 0° bis 90°, insbesondere
von 5° bis
70°, insbesondere
von 10° bis
50° aufweist.
Die Nabennut 25 dient insbesondere der Beströmung des
Thermoaktuators 21, 22 mit Kühlmittel. Der Nutgrund der
Nabennut 25 ist als Radius und/oder als Ecke ausgebildet.
Die zumindest eine Nabennut 25 ist insbesondere auf der
nicht näher
bezeichneten zylinderförmigen
Außenfläche der
Buchse 17 angeordnet bzw. in die Buchse 17 eingebracht.
Diese nicht näher
bezeichnete Buchsenaußenfläche berührt zumindest
abschnittsweise die nicht näher
bezeichnete zylinderförmig
ausgebildete Innenfläche
des Nabenelements 16.
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Die
Buchse 17 weist einen Buchsenflansch 18 auf. Aus
dem Buchsenflansch 18 ist zumindest ein erstes zahnförmiges Element,
insbesondere sind zumindest ein, zwei, drei, vier, fünf, sechs
oder mehr als sechs zahnförmige
Elemente 19, ausgebildet. Das zumindest eine erste zahnförmige Element 19 weist eine
Zahnhöhe
zh1 auf. Das zweite zahnförmige
Gegenelement des Nabenelements 16 weist eine Zahnhöhe zh2 auf.
Die Zahnhöhe
zh1 und/oder die Zahnhöhe
zh2 sind kleiner als die Umstülphöhe H bzw.
der Verschiebungsweg H. Die gestrichelte Darstellung des Pumpenlaufrads 3 zeigt
den zweiten Zustand des Pumpenlaufrades 3. Die Darstellung
des Pumpenlaufrads 3 mit durchgezogenen Linien zeigt den ersten
Zustand des Pumpenlaufrades 3. Im ersten Zustand des Pumpenlaufrades 3 ist
das Pumpenlaufrad 3 drehfest mit der Antriebswelle 10 verbunden. Das
zumindest eine erste zahnförmige
Gegenelement 19 und das zumindest eine zweite zahnförmige Gegenelement 20 sind
dabei so angeordnet, dass sie im Eingriff sind, d. h. das zumindest
eine zahnförmige Gegenelement 19 und
das zumindest eine zweite zahnförmige
Gegenelement 20 überlappen
sich auf der ersten Zahnhöhe
zh1 und auf der zweiten Zahnhöhe
zh2 zumindest abschnittsweise und soviel, dass ein Drehmoment übertragen
werden kann und das Pumpenlaufrad 3 und die Antriebswelle 10 drehfest
miteinander verbunden sind. Die Antriebswelle 10 und/oder
das Pumpenlaufrad 3 drehen sich in Richtung der Drehrichtung
DR oder in einem anderen Ausführungsbeispiel
entgegen der Drehrichtung DR.
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Der
Thermoaktuator im ersten Zustand 21 bzw. der Thermoaktuator
im zweiten Zustand 22 ist mit dem Pumpenlaufrad 3 auf
einem Randabschnitt des Thermoaktuators 21, 22 mittels
eines Ringelements 23 fest verbunden. Auf einem nicht näher bezeichneten
Abschnitt der Buchse 17 ist ein Anschlagring 24 aufgebracht,
insbesondere aufgeschraubt. Auf diese Weise ist der Thermoaktuator 21, 22 drehbar
mit der Buchse verbunden. Der Anschlagring 24, der mit
der Buchse 17 fest verbunden ist, begrenzt den Verschiebeweg
in Achsrichtung der Antriebswelle 10 auf den Umstülpweg H.
Auf diese Weise kann das Pumpenlaufrad 3 eine axiale Bewegung
in Richtung der An triebswellenachse die Antriebswelle 10 ausführen, wobei
die eine Grenze durch den ersten Zustand und die andere Grenze durch
den zweiten Zustand gebildet wird.
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Der
Verschiebeweg des Pumpenlaufrads 3 in Achsrichtung der
Antriebswelle 10 ist zum einen durch den Anschlagring 24 und
zum anderen durch den Buchsenflansch 18 begrenzt.
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2 zeigt
eine Schnittdarstellung des drehfesten, drehmomentübertragbaren
mit der Antriebswelle 10 verbundenen Pumpenlaufrades 3 mit
der Koppelungsvorrichtung 40 im Zustand 1. Gleiche Merkmale
sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie in 1. 3 zeigt
eine Schnittdarstellung des drehbar mit der Antriebswelle 10 verbundenen
Pumpenlaufrades 3 (zweiter Zustand). Gleiche Merkmale sind
mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie in den vorherigen Figuren.
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Insbesondere
im kalten Zustand des Motors, insbesondere des Verbrennungsmotors,
weist der Thermoaktuator die Form des Thermoaktuators 22 auf.
Dabei ist das Laufrad 3 drehbar mit der Antriebswelle 10 verbunden.
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In
dieser Position gibt es kein antreibendes Moment auf das Pumpenlaufrad,
lediglich über
den dünnen
Wasserfilm zwischen dem Nabenelement 16 und der Buchse 17 sowie
aufgrund der geringen Berührungsreibung
zwischen dem Anschlagring 24 und dem Thermoaktuator 22,
insbesondere dem Bimetallelement, insbesondere dem Thermobimetallelement gibt
es ein vergleichsweise kleines Antriebsmoment. Aufgrund der Flüssigkeitsreibung
des dünnen
Wasserfilms zwischen dem Nabenelement 16 und der Buchse 17 wird
eine Minimaldrehzahl des Pumpenlaufrads 3 erreicht, die
ausreicht, um eine gewisse Durchmischung des Pumpenraums 26 zu
bewirken.
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Eine
zusätzliche
Wasserbewegung in Richtung des Thermoaktuators 22, insbesondere
des Bimetalls, insbesondere der Thermobimetallscheibe bzw. des Thermobimetallelements,
wird durch Einbringen der Nabennut 25 erreicht. Dabei wird
bei drehender Antriebswelle 10 und bei stehendem Pumpenlaufrad 3 eine
dem Nutquerschnitt entsprechende Menge an Kühlmittel, insbesondere an Wasser,
zu dem Thermoaktuator 22 hingefördert, damit die Temperaturzunahme
im Kühlwasser
mit geringer Verzögerung
zu dem Thermoaktuator gelangt.
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Bei
zunehmender Erwärmung
des Kühlwassers
formt sich der Thermoaktuator, dass der Kugelradius R immer größer wird,
bis der Thermoaktuator im Wesentlichen scheibenförmig, insbesondere eben, ausgebildet
ist. Übersteigt
die Temperatur des Kühlmittels
T den oberen Temperaturgrenzwert TO, so schnappt das Thermoelement
in eine gegensinnige Wölbung
und nimmt den Zustand 1 und damit die Form des Thermoaktuators 21 ein.
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Durch
das Umschnappen des Thermoaktuators im zweiten Zustand 20 in
den ersten Zustand des Thermoaktuators 19 entsteht ein
Hub, d. h. eine Verschiebung, die durch die Umstülphöhe H wiedergegeben ist. Auf
diese Weise wird das Laufrad 3 axial an den Buchsenflansch 18 gedrückt, während sich der
nicht näher
bezeichnete innere Rand des Thermoaktuators, insbesondere der Thermobimetallscheibe,
auf dem Anschlagring 24 abstützt.
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In
dieser Stellung, d. h. im Zustand 1 überträgt das Nabenelement 16 das
zum Antrieb des Pumpenlaufrads 3 erforderliche Drehmoment
und die Pumpe 1, insbesondere die Wasserpumpe fördert den
vollen Kühlmittelstrom,
insbesondere den vollen Wasserstrom. Das Einkuppeln des Pumpenlaufrads, insbesondere
des Nabenelements 16 in die Buchse 17 wird durch
den hydrostatischen Druck, der bei rotierendem Pumpenlaufrad 3 an
der nicht näher
bezeichneten Pumpenrückwand
größer ist
als auf der nicht näher
bezeichneten Ansaugseite, noch unterstützt. Die Abstimmung der Druckverhältnisse
zwischen Ansaugseite und Druckseite werden durch die Größe des Pumpenspalts 27 am
Umfang des Pumpenlaufrads 3 und durch den Durchtrittskanal 29 vorgenommen.
Insbesondere wirkt der Durchtrittskanal 29 als Ausgleichsbohrung.
Durch die unterstützende Andruckkraft
wird die Struktur des zumindest einen ersten zahnförmigen Elements 19 und
des zumindest einen zweiten zahnförmigen Gegenelements 20 im Verschleiß geschützt. Insbesondere
können
die ersten zahnförmigen
Elemente 19 und die zweiten zahnförmigen Gegenelemente 20 beispielsweise
als Reibfläche
oder als Sternverzahnung ausgebildet sein.
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Kühlt sich
die Temperatur des Kühlmittels, insbesondere
des Kühlwassers
ab, d. h. unterschreitet die Temperatur T des Kühlmittels, insbesondere des
Kühlwassers,
den unteren Temperaturgrenzwert TU, schnappt der Thermoaktuator,
insbesondere das Thermobimetallelement, wieder in den zweiten Zustand.
Das Zurückschnappen
bewirkt das Auskuppeln des Pumpenlaufrads 3, wodurch der
Förderstrom
des Kühlmittels,
insbesondere des Kühlwassers,
wieder minimiert wird.
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In
einem anderen Ausführungsbeispiel
weist das Nabenelement 16 einen Reibabschnitt auf, der mit
einem korrespondierenden Reibabschnitt der Buchse 17 im
Zustand 1 des Thermoaktuators 21 reibschlüssig verbunden
ist, so dass insbesondere eine Drehmomentübertragung von der Antriebswelle 10 auf
das Pumpenlaufrad 3 erfolgt.
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4 zeigt
eine Draufsicht des Thermoelements 21, 22. 5 zeigt
eine Schnittdarstellung Thermoaktuators 21 im ersten Zustand
und des Thermoaktuators 22 im zweiten Zustand. Gleiche
Merkmale sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie in den
vorherigen Figuren. 6 zeigt eine weitere Schnittdarstellung
des Thermoaktuators 21 im ersten Zustand und des Thermoaktuators 22 im
zweiten Zustand. Gleiche Merkmale sind mit dem gleichen Bezugszeichen
versehen wie in den vorherigen Figuren.
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Der
Thermoaktuator 21, 22 ist als Thermoelement, insbesondere
als Bimetallelement, insbesondere als Thermobimetallelemement ausgebildet.
Dabei sind zwei Metalle mit zwei unterschiedlichen Wärmedehnungskoeffizienten
fest miteinander, beispielsweise durch Schweißen oder Kleben, verbunden.
Dabei werden zum Beispiel zwei unterschiedliche Metalle, beispielsweise
Stahl und Messing verwendet. Beim Erhitzen dehnen sich die beiden
Metalle unterschiedlich aus, dadurch kommt es zu einer Verformung.
Auf diese Weise krümmt
sich der Thermoaktuator nach der Seite des Metalls mit der geringeren
Wärmeausdehnung.
Der Thermoaktuator nimmt im Zustand 1 die Form 21 und
im Zustand 2 die Form 22 an. Der Thermoaktuator
weist einen ersten Kugelsegmentradius r und zumindest einen Kugelradius
R auf. Ferner ist in der Mitte des Kugelsegments eine Bohrung mit
dem Bohrungsdurch messer BD eingebracht. Dadurch kann der Thermoaktuator
auf einen nicht näher
bezeichneten Buchsenabschnitt der Buchse 17 derart angeordnet
werden, dass der Thermoaktuator 21, 22 die Buchse 17 gar
nicht oder nur unwesentlich berührt.
Aufgrund des Umschnappens vom Zustand 1 des Thermoaktuators 21 auf
den Zustand 2 des Thermoaktuators 22 und/oder
umgekehrt wird der Weg H, insbesondere die Umstülphöhe H erzeugt.
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Um
die Umstülphöhe H, insbesondere
den axialen Verschiebeweg des Pumpenlaufrads 3 in axialer
Richtung der Antriebswelle 10 zu erreichen, muss der Thermoaktuator 21, 22,
insbesondere das Thermoelement, insbesondere das Thermobimetallelement
derart ausgelegt werden, dass folgender Zusammenhang besteht:
H
= 2[R – (R2 – r2)½], insbesondere ist
der Verschiebeweg H, insbesondere die Umstülphöhe H > zh1 und/oder zh2.
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7 zeigt
ein Schaubild des Weg-Temperatur-Verhaltens des Thermoaktuators 21, 22.
Gleiche Merkmale sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen, wie
in den vorherigen Figuren.
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Im
Schaubild ist in horizontaler Richtung die Temperatur T des Kühlmittels,
insbesondere des Kühlwassers
aufgetragen. Die untere Temperaturgrenze TU stellt dabei die Temperatur
dar, bei der ein Umschalten des Thermoaktuators vom ersten Zustand 21 in
den zweiten Zustand 22 erfolgt. Die obere Temperaturgrenze
TO stellt den Zeitpunkt dar, an dem ein Umschalten des Thermoaktuators 22 vom zweiten
Zustand in den ersten Zustand des Thermoaktuators 21 erfolgt.
In vertikaler Richtung ist der Verschiebeweg V des Pumpenlaufrads 3 aufgetragen.
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Die
Temperatur T des Kühlmittels
nimmt Werte zwischen –40°C und 110°C, insbesondere Werte
zwischen –30° und 100°C, insbesondere
Werte zwischen –20°C und 98°C an.
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Der
obere Temperaturgrenzwert TO ist größer als der untere Temperaturgrenzwert
TU.
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Die
Merkmale der verschiedenen Ausführungsbeispiele
sind beliebig miteinander kombinierbar. Die Erfindung ist auch für andere
als die gezeigten Gebiete einsetzbar.