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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Laufrad für eine Fluidpumpe, insbesondere Flüssigkeitspumpe, vorzugsweise in einem Kühlkreis einer Brennkraftmaschine. Die Erfindung betrifft außerdem eine mit einem derartigen Laufrad ausgestattete Fluidpumpe.
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Aus der
EP 1 736 669 A2 ist eine regelbare Kühlmittelpumpe bekannt, die ein Laufrad aufweist, das mit mehreren Laufschaufeln zum Fördern des Kühlmittels von einer Saugseite zu einer Druckseite ausgestattet ist.
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Bei der bekannten Kühlmittelpumpe ist das Laufrad über eine spezielle Kupplung mit einer angetriebenen Antriebswelle antriebsverbunden. Diese Kupplung arbeitet nach dem Prinzip eines G-Rotors. Hierzu sind eine Außenkontur eines über einen Exzenter drehfest mit der Antriebswelle verbundenen Läufers und eine Innenkontur eines am Laufrad ausgebildeten Läuferraums so aufeinander abgestimmt, dass sich zwischen Innenkontur und Außenkontur Verdrängungskammern ausbilden, die abhängig von der relativen Drehlage zwischen Läufer und Laufrad unterschiedliche Volumina aufweisen. Die Verdrängungskammern stehen über Verbindungsöffnungen mit dem zu fördernden Kühlmittel in Verbindung. Mit Hilfe eines Bimetalls, das temperaturabhängig seine Form ändert, lassen sich die Verbindungsöffnungen steuern. Bei hoher Temperatur sind die Verbindungsöffnungen gesperrt, so dass die Verdrängungskammern ihr Volumen nicht ändern können, wodurch die Drehlage zwischen Läufer und Laufrad blockiert ist. In der Folge dreht das Laufrad mit der gleichen Drehzahl wie der Läufer. Bei abnehmender Temperatur öffnet das Bimetall zunehmend die Verbindungsöffnungen, wodurch die Verdrängerkammern ihr Volumen verändern können. Hierdurch sind relative Drehbewegungen zwischen Läufer und Laufrad möglich. Bei kaltem Kühlmittel kann das Laufrad bei rotierendem Läufer stehen. Auf diese Weise wird ein im Hinblick auf die Drehzahl temperaturgeregeltes Laufrad realisiert.
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Bei Fluidpumpen, insbesondere bei Kühlmittelpumpen, die unmittelbar mit einem Antriebsstrang einer Brennkraftmaschine gekoppelt sind, ist die Drehzahl des Laufrads in der Regel direkt proportional zur Drehzahl der Brennkraftmaschine. Gleichzeitig verhält sich auch die Förderleistung und somit die Druckerzeugung des Laufrads proportional zu seiner Drehzahl. Bei hohen Drehzahlen der Brennkraftmaschine kann es daher im Kühlkreis zu unerwünscht hohen Kühlmitteldrücken kommen. Derartig hohe Förderleistungen sind für die zu erzielende Kühlleistung nicht erforderlich, müssen jedoch vom Kühlkreis aufgenommen werden können, um hier eine Beschädigung durch die damit einhergehenden hohen Drücke zu vermeiden. Hierzu muss der Kühlkreis quasi überdimensioniert werden, was zu erhöhten Kosten führt.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für ein Laufrad bzw. für eine damit ausgestattete Fluidpumpe eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere dadurch auszeichnet, dass die Gefahr einer Beschädigung bei hoher Drehzahl reduziert ist.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, das Laufrad mit einem Druckbegrenzungsventil auszustatten, um einen Rückströmpfad zu steuern, der von der Druckseite zur Saugseite zurückführt. Durch das Druckbegrenzungsventil wird ein unerwünschter hoher Druckanstieg im jeweiligen Fluidkreis vermieden, und zwar unabhängig von der jeweiligen Drehzahl des Laufrads. Somit kann bei einer Verwendung der Fluidpumpe als Kühlmittelpumpe, die antriebsmäßig unmittelbar mit dem Antriebsstrang der Brennkraftmaschine gekoppelt ist, auch bei hohen Drehzahlen der Brennkraftmaschine eine übermäßige Druckbelastung des Kühlkreises vermieden werden. Folglich lässt sich der Kühlkreis kleiner bzw. für kleinere Drücken auslegen, was die Herstellungskosten reduziert.
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Das Druckbegrenzungsventil öffnet den die Druckseite mit der Saugseite fluidisch verbindenden Rückströmpfad abhängig von einer Druckdifferenz zwischen Druckseite und Saugseite. Je größer die Druckdifferenz ist, desto weiter wird der Rückströmpfad geöffnet. Dabei kann der Druckbereich, in dem das Druckbegrenzungsventil von seiner Schließstellung in seine Offenstellung umschaltet, vergleichsweise eng ausgelegt sein oder sich über einen größeren Druckbereich erstrecken, so dass über die Auslegung dieses Schaltdruckbereichs der Übergang von einem proportionalen Zusammenhang zwischen Drehzahl und Druckdifferenz und einem konstanten Zusammenhang zwischen Drehzahl und Druckdifferenz gezielt gestaltet werden kann.
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Von besonderem Vorteil ist dabei eine spezielle Ausführungsform, bei der das Druckbegrenzungsventil in das Laufrad integriert ist und bei der der Rückströmpfad im Laufrad ausgebildet ist. Hierdurch ist es insbesondere möglich, bei einer herkömmlichen Fluidpumpe lediglich das herkömmliche Laufrad durch ein erfindungsgemäßes Laufrad zu ersetzen, um eine erfindungsgemäße Fluidpumpe herzustellen. Andere Änderungen im Design der Fluidpumpe sind dabei nicht erforderlich, was eine Umrüstung sowie eine Nachrüstung erheblich vereinfacht.
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Entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform kann das Druckbegrenzungsventil in eine Nabe des Laufrads integriert sein. Im Bereich der Nabe sind die Zentrifugalkräfte am kleinsten, wodurch sich der Aufbau des Druckbegrenzungsventils vereinfacht.
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Beispielsweise kann das Druckbegrenzungsventil ein Ventilglied aufweisen, an dem die Druckdifferenz zwischen Druckseite und Saugseite angreift und das abhängig von der Druckdifferenz relativ zu einem Ventilsitz axial verstellbar ist und mit einer Schließdruckfeder in eine den Rückströmpfad verschließende Schließstellung vorgespannt ist. Durch die axiale Orientierung hinsichtlich der Verstellbewegungen einerseits des Ventilglieds und andererseits der Schließdruckfeder erfolgt eine Entkopplung von den Zentrifugalkräften, was eine ordnungsgemäße und reproduzierbare Funktionalität für das Druckbegrenzungsventil begünstigt.
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Besonders vorteilhaft ist es dabei, die Schließdruckfeder an der Nabe abzustützen und das Ventilglied an der Nabe axial verstellbar anzuordnen.
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Beispielsweise kann die Nabe hierzu einen koaxial zur Rotationsachse des Laufrads angeordneten Ringraum aufweisen, in den ein mit der Schließdruckfeder zusammenwirkender, hülsenförmiger Betätigungsabschnitt des Ventilglieds axial eintaucht. Hierdurch wird eine kompakte Bauform realisiert, durch welche gleichzeitig die Schließdruckfeder von der Fluidströmung entkoppelt wird.
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Bei einer Weiterbildung kann die Schließdruckfeder mit einem Axialende in den Ringraum eintauchen und darin am Betätigungsabschnitt axial abgestützt sein und mit einem anderen Axialende an der Nabe axial abgestützt sein. Dies hat zur Folge, dass die Schließdruckfeder den Betätigungsabschnitt in den Ringraum hinein antreibt, wodurch das Laufrad insbesondere in axialer Richtung kompakt baut.
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Zweckmäßig kann der Ringraum an einer der Saugseite zugewandten Seite axial offen sein, während er an einer der Druckseite zugewandten Seite axial verschlossen ist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Rückströmpfad in der Nabe ausgebildet sein. Die Positionierung des Rückströmpfad nahe der Rotationsachse vereinfacht den Druckausgleich. Zweckmäßig kann nun vorgesehen sein, dass der Rückströmpfad zumindest eine Durchgangsöffnung aufweist, die zur Saugseite und zur Druckseite offen ist.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform kann das Ventilglied einen zum Steuern des Rückströmpfads mit dem Ventilsitz zusammenwirkenden Tellerabschnitt aufweisen, der einerseits der Druckseite und andererseits der Saugseite ausgesetzt ist. An diesen Tellerabschnitt wirkt somit die Druckdifferenz, die das Ventilglied zum Öffnen, also zum Abheben vom Ventilsitz antreibt.
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Zweckmäßig sind nun Tellerabschnitt und Betätigungsabschnitt integral am Ventilglied ausgeformt. Beispielsweise handelt es sich beim Ventilglied um ein Blechformteil. Zweckmäßig ist der Betätigungsabschnitt zylindrisch ausgestaltet und an einem vom Tellerabschnitt entfernten Ende mit einem Ringkragen versehen, an dem sich die Schließdruckfeder abstützt. Die radiale Außenseite des Betätigungsabschnitts kann mit einer radialen Innenseite einer den Ringraum radial außen begrenzenden Wand zur Ausbildung einer Spaltdichtung zusammenwirken. Eine derartige Spaltdichtung zeichnet sich durch eine geringe Spaltweite und eine große Spaltlänge aus, so dass ihre Dichtungswirkung durch Reibungseffekte und Grenzschichten erzeugt wird. Die Spaltdichtung zwischen dem Ventilglied und der Nabe besitzt in der Radialrichtung eine vergleichsweise kleine Spaltweite und in der Axialrichtung eine vergleichsweise große Spaltlänge. Hierdurch kann eine effektive Abdichtung von der Druckseite zur Saugseite im Inneren des Druckbegrenzungsventils realisiert werden.
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Eine mit einem derartigen Laufrad ausgestattete Fluidpumpe, bei der es sich insbesondere um eine Flüssigkeitspumpe handeln kann und bei der es sich vorzugsweise um eine Kühlmittelpumpe für einen Kühlkreis einer Brennkraftmaschine handeln kann, ist zum drehenden Antreiben des Laufrads mit einer Antriebswelle ausgestattet. Diese Antriebswelle kann bei herkömmlicher Bauweise direkt mit einem Antriebsstrang, zum Beispiel über einen Zahnriemen, der Brennkraftmaschine antriebsverbunden sein.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch
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1 ein stark vereinfachter Längsschnitt durch eine Fluidpumpe im Bereich eines Laufrads bei geschlossenem Druckbegrenzungsventil,
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2 eine Ansicht wie in 1, jedoch bei geöffnetem Druckbegrenzungsventil.
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Entsprechend den 1 und 2 umfasst eine Fluidpumpe 1 ein Laufrad 2 und eine Antriebswelle 3 zum drehenden Antreiben des Laufrads 2 um eine Rotationsachse 4. Zweckmäßig ist das Laufrad 2 in einem Pumpengehäuse 5 angeordnet und trennt dort eine Saugseite 6 bzw. einen Saugbereich 6 von einer Druckseite 7 bzw. von einem Druckbereich 7. Die Fluidpumpe 1 ist zweckmäßig als Flüssigkeitspumpe ausgestaltet. Beispielsweise kann sie als Kühlmittelpumpe in einem Kühlkreis einer Brennkraftmaschine zur Anwendung kommen.
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Das Laufrad 2 weist mehrere Laufschaufeln 8 auf, die bei rotierendem Laufrad 2 das jeweilige Fluid von der Saugseite 6 zur Druckseite 7 fördern. In das Laufrad 2 ist außerdem ein Druckbegrenzungsventil 9 integriert, mit dem ein Rückströmpfad 10 steuerbar ist, der durch Pfeile angedeutet ist. Auch dieser Rückströmpfad 10 ist im Laufrad 2 ausgebildet. Das Druckbegrenzungsventil 9 ist so ausgestaltet, dass es in Abhängigkeit von einer Druckdifferenz zwischen Druckseite 7 und Saugseite 6 den Rückströmpfad 10 öffnet, der die Druckseite 7 mit der Saugseite 6 fluidisch verbindet. Hierdurch kann der druckseitige Druck zur Saugseite 6 abgebaut bzw. auf einen vorbestimmten Maximaldruck begrenzt werden.
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Das Laufrad 2 weist eine Nabe 11 auf, die zur drehfesten Montage an der Antriebswelle 3 vorgesehen ist. Ferner ist die Nabe 11 drehfest mit einem Laufschaufelkörper 12 verbunden, der die Laufschaufeln 8 trägt bzw. an dem die Laufschaufeln 8 ausgebildet sind. Beispielsweise kann der Laufschaufelkörper 12 aus Kunststoff oder aus Metall spritzgeformt sein. Die Nabe 11 kann ein Drehteil sein oder ebenfalls aus Metall spritzgeformt sein.
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Zweckmäßig ist nun das Druckbegrenzungsventil 9 in die Nabe 11 integriert. Dies ist von besonderem Vorteil, da im Vergleich zu einem herkömmlichen Laufrad 2 dann nur der Nabenbereich modifiziert werden muss, so dass insbesondere am Design der Laufschaufeln 8 nichts oder nur sehr wenig verändert werden muss. Die Integration des Druckbegrenzungsventils 9 in die Nabe 11 wirkt sich somit nicht oder nur geringfügig auf die Förderleistung der Laufschaufeln 8 aus.
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Das Druckbegrenzungsventil 9 kann ein Ventilglied 13 aufweisen, das relativ zu einem Ventilsitz 14 axial, also parallel zur Rotationsachse 4 verstellbar ist. Ferner umfasst das Druckbegrenzungsventil 9 eine Schließdruckfeder 15, die das Ventilglied 13 in eine in 1 wiedergegebene Schließstellung vorspannt, in welcher das Ventilglied 13 im Ventilsitz 14 sitzt und den Rückströmpfad 10 verschließt. Das Ventilglied 13 ist so gestaltet bzw. angeordnet, dass am Ventilglied 13 die Druckdifferenz zwischen Druckseite 7 und Saugseite 6 angreift. Ferner ist das Ventilglied 13 abhängig von dieser Druckdifferenz relativ zum Ventilsitz 14 axial verstellbar. Ab einer vorbestimmten Druckdifferenz, die durch die Schließdruckfeder 15 bestimmt ist, kann das Ventilglied 13 vom Ventilsitz 14 abheben und den Rückströmpfad 10 freigeben.
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Die Schließdruckfeder 15 ist an der Nabe 11 axial abgestützt, und zwar im Beispiel über einen Stützring 16, der hierzu in eine ringförmige Außennut 17 eingesetzt ist. Diese Außennut 17 ist radial außen an einer inneren Zylinderwand 18 der Nabe 11 ausgebildet, mit der die Nabe 11 auf die Antriebswelle 3 aufgesteckt ist. Das Ventilglied 13 ist an der Nabe 11 axial verstellbar angeordnet. Hierzu besitzt die Nabe 11 einen Ringraum 19, der koaxial zur Rotationsachse 4 angeordnet ist und der radial zwischen der inneren Zylinderwand 18 und einer äußeren Zylinderwand 20 der Nabe 11 ausgebildet ist. Das Ventilglied 13 besitzt einen zylindrischen oder hülsenförmigen Betätigungsabschnitt 21, der koaxial zur Rotationsachse 4 axial in den Ringraum 19 eintaucht. Dabei sind die Abmessungen des Betätigungsabschnitts 21 und der äußeren Zylinderwand 20 so aufeinanderabgestimmt, dass der Betätigungsabschnitt 21 an der äußeren Zylinderwand 20 axial geführt ist. Gleichzeitig wird zwischen dem Betätigungsabschnitt 21 und der äußeren Zylinderwand 20 eine Spaltdichtung 22 realisiert, die in Radialrichtung eine vergleichsweise kleine Spaltweite und in Axialrichtung eine vergleichsweise große Spaltlänge besitzt. Über diese Spaltdichtung 22 ist innerhalb des Druckbegrenzungsventils 9 die Druckseite 7 gegenüber der Saugseite 6 hinreichend abgedichtet.
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Der Betätigungsabschnitt 21 weist an seinem in den Ringraum 19 eintauchenden Ende einen radial nach innen abstehenden Ringkragen 23 auf, an dem sich die Schließdruckfeder 15 mit einem ersten Axialende 24 axial abstützt. An ihrem gegenüberliegenden zweiten Axialende 25 stützt sich die Schließdruckfeder 15 über den Stützring 16 an der Nabe 11 axial ab.
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Der Ringraum 19 ist zweckmäßig an einer der Saugseite 6 zugewandten Seite axial offen, damit das Ventilglied 13 mit seinem Betätigungsabschnitt 21 von dieser offenen Seite her axial in den Ringraum 19 einführbar ist. Ferner ist der Ringraum 19 an einer der Druckseite 7 zugewandten Seite axial verschlossen.
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Der Rückströmpfad 10 ist bei der hier gezeigten Ausführungsform ebenfalls in der Nabe 11 ausgebildet. Beispielsweise kann die Nabe 11 hierzu zumindest eine Durchgangsöffnung 26 aufweisen, die einerseits zur Saugseite 6 und andererseits zur Druckseite 7 hin offen ist. Zweckmäßig kann die Durchgangsöffnung 26 axial ausgerichtet sein, also parallel zur Rotationsachse 4 verlaufen.
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Das Ventilglied 13 weist hier außerdem einen Tellerabschnitt 27 auf, der mit dem Ventilsitz 14 zusammenwirkt, um den durchströmbaren Querschnitt des Rückströmpfads 10 einzustellen bzw. um den Rückströmpfad 10 zu steuern. Dieser Tellerabschnitt 27 ist einerseits der Saugseite 6 und andererseits, insbesondere über die jeweilige Durchgangsöffnung 26, der Druckseite 7 ausgesetzt. Zweckmäßig sind Tellerabschnitt 27 und Betätigungsabschnitt 22 sowie Ringkragen 23 integral aus einem Stück geformt, so dass das Ventilglied 13 einteilig hergestellt ist, beispielsweise als Blechformteil.
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1 zeigt einen Zustand, bei dem das Druckbegrenzungsventil 9 seine Schließstellung einnimmt. Folglich ist der Rückströmpfad 10 geschlossen, so dass über diesen kein Druckausgleich zwischen Druckseite 7 und Saugseite 6 stattfindet.
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Übersteigt die Druckdifferenz zwischen Druckseite 7 und Saugseite 6 die Vorspannkraft der Schließdruckfeder 15, öffnet das Druckbegrenzungsventil 9 und es stellt sich eine Offenstellung wie in 2 ein. Hierzu verstellt sich das Ventilglied 13 axial gegenüber der Nabe 11, wobei das Ventilglied 13 bzw. der Tellerabschnitt 27 vom Ventilsitz 14 abhebt und einen durchströmbaren Querschnitt 28 für den Rückströmpfad 10 freigibt. Dieser durchströmbare Querschnitt 28 erstreckt sich zweckmäßig ringförmig um das gesamte Laufrad und ist radial durchströmbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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