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Die
Erfindung betrifft eine regelbare Kühlmittelpumpe für
den Kühlkreislauf einer Verbrennungskraftmaschine mit einem
Pumpengehäuse, in dem eine Pumpenwelle drehbar gelagert
ist, die mechanisch oder elektrisch angetrieben ist und auf deren axialen
Ende ein Pumpenlaufrad befestigt ist, welches in einem Pumpenkopf
mit einem Einlass, einem Ringkanal und einem Auslass angeordnet
ist, wobei zwischen dem Ringkanal und dem Laufrad im Pumpenkopf
eine Mehrzahl von verstellbaren Leitschaufeln konzentrisch um das
Laufrad angeordnet ist.
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Um
Kraftstoff einzusparen und den Kohlendioxidausstoß einer
Verbrennungskraftmaschine zu reduzieren, wurden in den letzten Jahren
verschiedene Maßnahmen zur Bereitstellung einer bedarfsgerechten
Kühlmittelförderung im Kühlkreislauf
einer Verbrennungskraftmaschine vorgeschlagen. Zu unterscheiden
ist hier zwischen den elektrischen angetriebenen Pumpen, bei denen
eine Änderung des Kühlmittelstroms über
eine Verstellung der Elektromotordrehzahl erfolgt, und den mechanisch über
einen Riemen- oder Kettentrieb angetriebenen Pumpen, bei denen die
Einstellung des Kühlmittelstroms entweder über
Hysteresekupplungen oder Änderungen der Ein- oder Ausströmgeometrien
im Bereich des Pumpenlaufrades erfolgen. Im Vergleich zu den elektrischen
Pumpen oder den Pumpen mit Hysteresekupplung kann die Regelung über
die Änderung der Ein- oder Ausströmunggeometrien
häufig deutlich kostengünstiger realisiert werden.
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So
wurden in neuerer Zeit vor allem regelbare Kühlmittelpumpen
entwickelt, bei denen der Austrittsquerschnitt des Pumpenlaufrades über
ein im Wesentlichen topfförmiges Ventilteil verschließbar ist,
welches axial im Pumpengehäuse verschiebbar angeordnet
ist. Die Verschiebung dieses topfförmigen Ventilteils erfolgt
dabei zumeist über einen Elektromagneten, der entgegen
einer Federkraft auf das topfförmige Ventilteil wirkt,
so dass bei Bestromung des Magneten der Austrittsquerschnitt des
Pumpenlaufrades verschlossen wird. Derartige Kühlmittelpumpen
werden beispielsweise in der
DE 10 2005 004 315 A1 oder der
DE 10 2004 054 637 A1 vorgeschlagen.
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Nachteilig
an diesen Ausführungen ist der relativ hohe Steueraufwand
des Elektromagneten sowie der relativ große Raumbedarf
zur Unterbringung eines ausreichend starken Elektromagneten zur
Verschiebung und Lagerung des topfförmigen Ventilteils.
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Des
Weiteren sind aus der
WO
2004/059142 A1 sowie der
WO 2007/025375 A2 Kühlmittelpumpen
bekannt, bei denen am Einlass vor dem Laufrad der Pumpe Leitschaufeln
angeordnet sind, um die Anströmung des Laufrades und somit
die geförderte Kühlmittelmenge zu regeln. Dazu
werden die Leitschaufeln über einen verdrehbaren Ring etwa
um ihre Mittelachse gedreht. Diese Ausführungen haben den
Nachteil, dass entweder die Anströmung zum Pumpenkopf radial
erfolgen muss, weil der Antrieb der Pumpe saugseitig erfolgt oder
zusätzlicher axialer Bauraum zur Unterbringung der Leitschaufeln
benötigt wird. Bei eingeschränktem Bauraum ist
zur Verstellung der Leitschaufeln vom Steller ein relativ großes
Drehmoment aufzubringen.
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Zusätzlich
ist aus der
DE-PS 736 266 eine Kreiselpumpe
mit regulierbaren Leitschaufeln bekannt, welche im Bereich des Diffusors
der Pumpe hinter dem Laufrad angeordnet sind. Auch diese Leitschaufeln
werden etwa um ihre Mittelachsen gedreht, um Flattererscheinungen
zu vermeiden. Auch hier treten hohe Stellkräfte bzw. Drehmomente
auf, die vom Steller aufgebracht werden müssen.
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung, eine regelbare Kühlmittelpumpe
zu schaffen, welche einen möglichst geringen Bauraum benötigt
und bei der ein zur Verstellung der Leitschaufeln benötigter
Steller möglichst klein ausgeführt werden kann.
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Diese
Aufgabe wird dadurch gelöst, dass jede Leitschaufel drei
Achszapfen aufweist, von denen sich ein erster und zweiter Achszapfen
im rechten Winkel zu je einer der beiden Längsseiten der Leitschaufeln
erstreckt, die ersten und zweiten Achszapfen im Bereich einer Außenkante
der Leitschaufel angeordnet sind, wobei die Leitschaufel im Pumpenkopf über
die ersten und zweiten Achszapfen drehbar gelagert ist, und ein
dritter, parallel zum ersten und zweiten Achszapfen angeordneter
Achszapfen im von der Drehachse entfernten Bereich der Leitschaufel
angeordnet ist und in eine Nut oder ein Langloch eines Verstellrings
ragt, der drehbar im Pumpenkopf angeordnet ist, wobei die Nut oder
das Langloch eine radiale und eine tangentiale Komponente aufweist. Durch
eine derartige Anordnung der Achszapfen und Ausführung
der Nuten oder Langlöcher im Verstellring kann das aufzubringende
Drehmoment durch den Steller zur Drehung des Verstellringes im Vergleich
zu bekannten Ausführungen deutlich reduziert werden. Zusätzlich
wird der für die Anordnung der Leitschaufeln benötigte
Bauraum auf ein Minimum reduziert, da die Leitschaufeln im Bereich
des Diffusors des Pumpenkopfes angebracht werden können.
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Zur
weiteren Verminderung des aufzuwendenden Drehmomentes ist die radiale
Komponente über den gesamten Verstellwinkel kleiner als
die tangentiale Komponente.
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Vorzugsweise
ist die Nut oder das Langloch konturiert ausgeführt, so
dass der Anteil der radialen Komponente im Vergleich zur tangentialen
Komponente mit wachsendem Verstellwinkel aus der geschlossenen Leitschaufelstellung
steigt. Durch eine derartige Ausführung der Nuten bzw.
der Langlöcher wird eine genauere Steuerung der geförderten
Kühlmittelmenge möglich, da eine Drehung des Verstellringes
aus der geschlossenen Stellung im ersten Bereich eine geringere
Drehung der Leitschaufeln verursacht als im folgenden Bereich. Bei
gleichem Verdrehwinkel der Leitschaufeln ist jedoch die Differenz der
geförderten Kühlmittelmenge größer
als im zweiten Bereich. Somit wird insbesondere bei geringer Kühlmittelförderung
eine genaue Regelung der Kühlmittelmenge möglich.
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Am
Innenumfang des Verstellringes sind sich tangential erstreckende
Ausnehmungen zur Durchführung der ersten Achszapfen ausgebildet,
deren Länge dem maximalen Drehwinkel des Verstellringes entsprechen,
wobei die ersten Achszapfen im Pumpenkopf gelagert sind. Eine solche
Ausführung minimiert die Anzahl der zu verwendenden Bauteile. Gleichzeitig
dienen die Ausnehmungen als Anschlag zur Festlegung des maximalen
Drehwinkels, so dass keine Zug- oder Druckkräfte zwischen
den beiden Achsen der Leitschaufel durch die Verstellung auftreten
können.
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Zur
Zentrierung und Lagerung des Verstellringes und zur Verlängerung
der Haltbarkeit der Achszapfen sind auf den ersten Achszapfen in
Höhe der Ausnehmungen des Verstellringes Distanzringe angeordnet,
deren Außendurchmesser im Wesentlichen der Breite der Ausnehmungen
entsprechen und die von den Ausnehmungen des Verstellringes aufgenommen
werden, so dass diese Distanzringe als Anschlag und zur Führung
und Lagerung des Verstellringes dienen und somit den Verdrehwinkel
begrenzen.
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In
einer ersten vorteilhaften Alternative sind die Leitschaufeln aus
Blech hergestellt und weisen eine Länge auf, die dem Abstand
von einer Drehachse zur benachbarten Drehachse entspricht. Eine
derartige Ausführung ist kostengünstig herstellbar.
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In
einer hierzu alternativen Ausführungsform sind die Leitschaufeln
profiliert ausgeführt und länger als der Abstand
einer Drehachse zur benachbarten Drehachse, so dass das von der
Drehachse abgewandte Ende jeder Leitschaufel im Bereich der Drehachse
der benachbarten Leitschaufel anliegt. Durch diese Ausführung
kann der Wirkungsgrad der Pumpe durch Optimierung der Strömungsableitung
erhöht werden. Zusätzlich wird eine hohe Dichtigkeit
im geschlossenen Zustand der Leitschaufeln erreicht.
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Es
wird somit eine Kühlmittelpumpe geschaffen, die mechanisch
regelbar ist und dabei nur geringe Verstellkräfte benötigt.
Gleichzeitig wird der Bauteile- und Bauraumaufwand minimiert.
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Eine
erfindungsgemäße Ausführung einer regelbaren
Kühlmittelpumpe ist in den Figuren dargestellt und wird
nachfolgend beschrieben.
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1 zeigt
eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Kühlmittelpumpe
mit geöffnetem Deckel in schematischer Darstellung.
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2 zeigt
eine Seitenansicht der oberen Hälfte der in der 1 dargestellten
Kühlmittelpumpe in schematischer, geschnittener Darstellung.
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3 zeigt
eine zu 1 entsprechende Ansicht der
Kühlmittelpumpe jedoch mit geschlossenen Leitschaufeln.
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4 zeigt
eine Seitenansicht der oberen Hälfte der in der 3 dargestellten
Kühlmittelpumpe in schematischer, geschnittener Darstellung.
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5 zeigt
eine Seitenansicht einer Leitschaufel für eine erfindungsgemäße
Kühlmittelpumpe.
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6 zeigt
eine Draufsicht auf eine Leitschaufel gemäß 5.
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7 zeigt
eine zu 5 alternative Ausführungsform
einer Leitschaufel in Seitenansicht.
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8 zeigt
eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäß ausgeführten
Verstellring, wobei eine einzelne Leitschaufel in geschlossener
und eine weitere in geöffneter Stellung dargestellt ist.
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Die
in den 1 bis 4 teilweise dargestellte erfindungsgemäße
Kühlmittelpumpe besteht aus einem in den Figuren nicht
dargestellten Pumpengehäuse, in dem eine angetriebene Pumpenwelle 1 drehbar
gelagert ist. Der Antrieb der Pumpenwelle 1 kann entweder
mechanisch, über die Kurbelwelle mittels Keilriemen oder
einen Kettentrieb erfolgen, so dass die Pumpenwelle 1 in
einem festen Drehzahlverhältnis zur Kurbelwelle angetrieben
wird oder über einen Elektromotor mit konstanter Drehzahl
erfolgen.
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Auf
einem axialen Ende 2 der Pumpenwelle 1 ist ein
Pumpenlaufrad 3 angeordnet, welches sich mit der Pumpenwelle 1 dreht.
Das Pumpenlaufrad 3 ist dabei von einem Pumpenkopf 4 umgeben,
an dem ein zentraler Einlass 5, ein Ringkanal 6 sowie
ein tangentialer Auslass ausgebildet sind, wobei der Auslass in
der schematischen Darstellung der Figuren nicht dargestellt ist.
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Entsprechend
wird das Kühlmittel bei Drehung des Pumpenlaufrades 3 durch
den axialen Einlass 5 in das Pumpenlaufrad 3 gesaugt
und an dem radialen Auslass des Pumpenlaufrades in Richtung des
Ringkanals 6 gefördert, von wo aus es zum tangentialen
Auslass des Pumpenkopfes 4 strömt.
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Zwischen
dem radialen Auslass des Pumpenlaufrades 3 und dem Ringkanal 6 ist
am Pumpenkopf 4 ein Diffusor 7 ausgebildet, in
dem erfindungsgemäß auf einer Kreislinie Leitschaufeln 8 angeordnet
sind. Die Leitschaufeln 8 weisen drei Achszapfen 9, 10, 11 auf,
was insbesondere in den 5 bis 7 erkennbar
ist. Die Achszapfen 9, 10, 11 stehen senkrecht
zur Längsseite 12 jeder Leitschaufel 8.
Der erste und zweite Achszapfen 9, 10 ist im Bereich
einer Außenkante 13 jeder Leitschaufel 8 angeordnet. Die
Achszapfen 9 und 10 dienen als Drehachse der Leitschaufeln 8.
Der dritte Achszapfen 11 ist im zur Drehachse entfernten
Bereich 14 der Leitschaufeln 8 angeordnet und
ist etwas kürzer ausgeführt als die ersten und
zweiten Achszapfen 9, 10.
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Wie
insbesondere aus den 2 und 4 hervorgeht
sind die ersten und zweiten Achszapfen 9, 10 im
Pumpenkopf 4 der Kühlmittelpumpe gelagert. Hierzu
sind an dem zweiteiligen Pumpenkopf 4 zwei Sackbohrungen 15, 16 angeordnet,
von denen die erste Sackbohrung 15 an einer Rückwand 17 des Pumpenkopfes 4 ausgebildet
ist und die zweite Sackbohrung 16 in einem Deckel 18 des
Pumpenkopfes 4 ausgebildet ist. Die über die Länge
des dritten Achszapfens 11 ragenden Enden der ersten und
zweiten Achszapfen 9, 10 sind im zusammengebauten
Zustand des Pumpenkopfes 4 in den Sackbohrungen 15, 16 angeordnet.
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Im
an die Leitschaufeln 8 angrenzenden Bereich sind die ersten
und zweiten Achszapfen 9, 10 jeweils von Distanzringen 19, 20 umgeben,
deren Höhe etwa der Höhe des dritten Achszapfens 11 entspricht.
Die Distanzringe 19 und damit die ersten Achszapfen 9 sowie
die dritten Achszapfen 11 korrespondieren erfindungsgemäß mit
entsprechenden Ausnehmungen 21 und Nuten bzw. Langlöchern 22 eines
Verstellrings 23, der in einem Raum 25 der Rückwand 17 des
Pumpenkopfes 4 derart drehbar angeordnet ist, dass eine
zum Ringkanal 6 führende Innenwand 26 der
Rückwand 17 im Wesentlichen gerade verlängert
wird. Entsprechend korrespondiert die Anzahl der Langlöcher 22 und
Ausnehmungen 21 zur Anzahl der Leitschaufeln 8.
Im Deckel 18 des Pumpenkopfes 4 ist eine entsprechende
Aussparung 32 ausgebildet, in der ein weiterer Ring 33 angeordnet
ist, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel fest im Gehäuse
steht und ebenfalls Ausnehmungen zur Aufnahme des zweiten Achszapfens 10 aufweist.
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Die
Ausnehmungen 21 des Verstellrings 23 erstrecken
sich tangential an einem Innenumfang 24 des Verstellrings 23 und
weisen eine tangentiale Länge auf, die einem maximalen
Verstellwinkel α des Verstellrings 23 entspricht.
In diesen Ausnehmungen 21 sind die ersten Achszapfen 9 mit
ihren Distanzringen 19 angeordnet. Die Langlöcher 22 sind
in Umfangsrichtung des Verstellrings 23 betrachtet jeweils zwischen
den Ausnehmungen 21 angeordnet und weisen eine Breite auf,
die dem Durchmesser der dritten Achszapfen 11 entspricht.
Im zusammengebauten Zustand ragen die dritten Achszapfen 11 jeweils
in die Langlöcher 22, welche schräg verlaufen, also
eine radiale Komponente r und eine tangentiale Komponente t aufweisen.
Die tangentiale Komponente t ist über den gesamten Verstellwinkel α größer als
die radiale Komponente r, wobei im vorliegenden Ausführungsbeispiel
die Langlöcher 22 linear ausgeführt sind.
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Am
Außenumfang des Verstellrings 23 ist ein flanschförmiger
Vorsprung 27 ausgebildet, der ein Durchgangsloch 28 aufweist,
durch welches ein Zapfen 29 ragt, der am Ende einer Hubstange 30 eines Stellers 31 angeordnet
ist. Dieser Steller 31 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel
lediglich schematisch dargestellt. Die Betätigung kann
dabei pneumatisch, hydraulisch, elektrisch oder auch magnetisch erfolgen.
Die entsprechende Steuerung der Hubstange 30 wird in der
Regel abhängig von den thermischen Daten der Verbrennungskraftmaschine
erfolgen. Der Steller 31 ist vorzugsweise ebenfalls im Raum 25 in
der Rückwand 17 des Pumpenkopfes 4 angeordnet.
Durch die besondere Anordnung der Langlöcher 22 sowie
der Drehachse der Leitschaufeln 8 zu den Langlöchern 22 treten
nur geringe Stellkräfte auf, so dass der Steller 31 klein
ausgeführt werden kann.
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Es
sollte klar sein, dass der Verstellring 23 zur möglichst
reibungsfreien Verstellung entsprechend im Pumpenkopf 4 zu
lagern ist. Selbstverständlich wäre es möglich,
den Ring 33 ebenfalls als Verstellring mit entsprechenden
Langlöchern auszuführen, in die vierte Achszapfen
ragen würden, welche gegenüberliegend zu den dritten
Achszapfen 11 angeordnet sein müssten, wodurch
eine beidseitige Führung erreicht würde, wobei
auch für diesen Ring 33 eine entsprechende Lagerung
vorzusehen wäre und eine Kopplung zum Steller 31 notwendig
wäre.
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Beim
Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine befindet sich die Hubstange 30 des
Stellers 31 in ihrer ausgefahrenen Position wie sie in
den 3 und 4 dargestellt ist. Der Verstellring 23 wird
dabei durch die Hubstange 30 entgegen des Uhrzeigersinnes
gedreht, wodurch die dritten Achszapfen 11 in den Langlöchern 22 und
die ersten Achszapfen 9 in den Ausnehmungen 21 am
ersten Anschlag am Verstellring 23 anliegen. Da der Anfang
der Langlöcher 22 radial den gleichen Abstand
zum Drehpunkt des Verstellrings 23 wie die Sackbohrungen 15, 16 aufweisen,
liegen die Leitschaufeln 8 in diesem Zustand über
ihre gesamte Länge auf einer gemeinsamen Kreislinie. Die
Länge der Leitschaufeln 8 wird so gewählt,
dass die jeweiligen Enden der Leitschaufeln in diesem Zustand aneinander
liegen, so dass der durch die Leitschaufeln 8 gebildete
Ring vollständig geschlossen ist. Dies bedeutet, dass in
diesem Zustand kein Kühlmittel gefördert wird.
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Nach
Beendigung der Kaltstartphase und somit Erwärmung des Kühlmittels
im Bereich der Zylinder wird der Steller 31 betätigt,
so dass die Hubstange 30 zumindest zum Teil eingezogen
wird, wodurch sich der Verstellring 23 im Uhrzeigersinn
dreht. Durch diese Drehung gleiten die dritten Achszapfen 11 in den
Langlöchern 22 radial nach außen, wodurch
die Leitschaufeln 8 ebenfalls im Uhrzeigersinn um ihre Drehachse
gedreht werden. Somit kann das Kühlmittel nun vom Pumpenlaufrad 3 in
den Ringkanal 6 und somit zum Auslass gefördert
werden. Die Leitschaufeln 8 nehmen dabei eine Stellung
ein, durch die die Förderung des Kühlmittels in
der Kühlmittelpumpe zusätzlich verbessert wird,
da sie als Nachleitapparat dienen. Je nach Stellung der Leitschaufeln 8 wird
nun eine unterschiedliche Kühlmittelmenge bei gleicher Pumpendrehzahl
gefördert, so dass eine über den gesamten Bereich
funktionierende Regelung geschaffen wird. Die maximale Fördermenge
ergibt sich in der in den 1 und 2 dargestellten,
vollständig geöffneten Stellung der Leitschaufeln 8,
in der die ersten Achszapfen 9 und dritten Achszapfen 11 an den
gegenüberliegenden Anschlägen Langlöcher 22 beziehungsweise
der Ausnehmungen 21 anliegen.
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Die
in den 5 und 7 dargestellten Leitschaufeln 8 weisen
eine unterschiedliche Form auf, wobei die in 5 dargestellte
Leitschaufel 8 vorzugsweise aus Blech hergestellt ist und
eine konstante Dicke aufweist, während die in 7 dargestellte
Leitschaufel 8 üblicherweise aus Kunststoff hergestellt
wird und eine konturierte Form aufweist, welche sich insbesondere
dazu eignet, den Druckverlust der Strömung weiter zu minimieren,
während die Blechschaufel äußerst kostengünstig
hergestellt werden kann.
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In 8 ist
noch einmal der erfindungsgemäße Verstellring 23 mit
zwei Leitschaufeln 8 dargestellt, von denen sich eine erste
in der geöffneten Stellung und eine zweite in der geschlossenen
Stellung befindet. Zusätzlich ist die Lage des Distanzringes 19 einer
Leitschaufel 8 in den beiden Endstellungen dargestellt,
so dass der maximale Verdrehwinkel erkennbar ist. Im Vergleich zu
der in den 1 und 3 dargestellten
Ausführung sind die Leitschaufeln 8 hier länger
ausgebildet, so dass in der geschlossenen Stellung jeweils das Ende
einer Leitschaufel 8 im Bereich der Drehachse auf der folgenden
Leitschaufel 8 aufliegt. Hierdurch wird die Dichtigkeit
zusätzlich verbessert, jedoch sollte bei einer derartigen
Ausführung darauf geachtet werden, dass die Form der Leitschaufeln
so gewählt wird, dass unerwünschte Strömungswiderstände
und Wirbelbildungen vermieden werden.
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Es
wird deutlich, dass eine derartige Kühlmittelpumpe zur
kontinuierlichen Regelung der Kühlmittelmenge in einer
Verbrennungskraftmaschine geeignet ist, ohne geregelte Wellenantriebe
verwenden zu müssen. Der hierzu benötigte Bauraum
ist äußerst klein gehalten. Vor allem jedoch sind
die benötigten Stellkräfte bzw. das aufzubringende
Drehmoment zur Verstellung der Leitschaufeln aufgrund der schrägen Anordnung
der Langlöcher äußerst klein, so dass
ein kleinerer Steller als in bekannten Ausführungen verwendet
werden kann.
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Ein
zusätzlicher Vorteil ergibt sich auch durch eine entsprechende
Konturierung der Langlöcher 22 unter Aufgabe der
Linearität, wodurch sich über den maximal möglichen
Verdrehwinkel ein unterschiedlicher Verdrehwinkel der Leitschaufeln 8 im Vergleich
zum jeweiligen Verdrehwinkel des Verstellrings 23 einstellen
lässt. Selbstverständlich sind weitere Modifikationen
und konstruktive Änderungen im Bereich des vorliegenden
Hauptanspruches möglich, so dass der Schutzbereich nicht
auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt
ist. So kann beispielsweise auch auf der gegenüberliegenden
Seite des Pumpenkopfes 4 ein zweiter Verstellring angeordnet
sein, der mit einem entsprechenden vierten Achszapfen zusammenwirkt.
Auch kann an dieser Seite die Lagerung direkt im Gehäuse
ohne Zwischenlage eines weiteren Ringes erfolgen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102005004315
A1 [0003]
- - DE 102004054637 A1 [0003]
- - WO 2004/059142 A1 [0005]
- - WO 2007/025375 A2 [0005]
- - DE 736266 [0006]