DE102010054084A1

DE102010054084A1 - Kühlmittelpumpe

Info

Publication number: DE102010054084A1
Application number: DE102010054084A
Authority: DE
Inventors: Oliver Offen; Christian Groenewold
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2010-12-10
Filing date: 2010-12-10
Publication date: 2012-06-14
Anticipated expiration: 2030-12-11
Also published as: DE102010054084B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kühlmittelpumpe (1) für eine Brennkraftmaschine, welche ein Flügelrad (2) aufweist, durch welches das Kühlmittel auf einer einen Saugraum (3) aufweisenden Saugseite (4) durch einen Ansaugkanal (5) in Pfeilrichtung (6) eintritt und auf einer Druckseite (9) aus einem Druckraum (10) austritt. Der Ansaugkanal (5) ist zumindest abschnittsweise mit einem Strömungsleitelement (13) ausgestattet, durch dessen spiralförmige Steigung innerhalb des Ansaugkanals (5) ein rotationsbehafteter Wirbel mit einer zu einer Rotationsachse (7) des Flügelrads (2) parallelen Drallachse entsteht. Hierdurch wird bereits vor dem Eintritt in das Flügelrad (2) eine die Pumpenleistung begünstigende Strömung erzeugt und der Wirkungsgrad der Kühlmittelpumpe (1) wesentlich verbessert.

Description

Die Erfindung betrifft eine insbesondere für eine Brennkraftmaschine bestimmte, ein Flügelrad aufweisende Kühlmittelpumpe mit einem eine Druckseite bildenden Druckraum sowie einem eine Saugseite bildenden, mit einem Ansaugkanal ausgestatteten Saugraum.
Eine derartige Kühlmittelpumpe bildet einen wesentlichen Bestandteil eines als Kühlsystem bezeichneten Kühlkreislaufs für eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs mit einem die Brennkraftmaschine mit einem Kühler verbindenden, die Kühlmittelpumpe aufweisenden Hauptleitungssystem. Kühlmittelpumpen dieser Art sind seit Langem in unterschiedlichen Bauformen bekannt.
Ein solcher Kühlkreislauf für ein brennkraftmaschinenbetriebenes Nutzfahrzeug ist beispielsweise aus der DE 100 41 915 A1 bekannt, welcher eine mittels eines Elektromotors angetriebene Kühlmittelpumpe umfasst. Insbesondere bei Brennkraftmaschinen von Nutzfahrzeugen, die bereits bei relativ niedrigen Geschwindigkeiten dauerhaft mit hohem Drehmoment betreibbar sein müssen, darf es zu keiner Bauteilüberhitzung kommen, sodass die Kühlmittelpumpe und der Kühlerlüfter auch bereits bei relativ geringen Geschwindigkeiten hohe Anforderungen an die Kühlleistung erfüllen müssen. Die Kühlleistung wird dabei durch eine entsprechende Ansteuerung und hohe Drehzahlen der Kühlmittelpumpe und des Kühlerlüfters erreicht, was jedoch mit einem relativ hohen Energieverbrauch einhergeht.
Es ist weiterhin durch die EP 0 262 597 B1 ein Maschinengehäuse für flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschinen bekannt, bei dem zur Vermeidung ungleicher Wärmespannungen eine bevorzugte Beaufschlagung heißer Zonen des Maschinengehäuses erreicht werden soll. Eine Kühlmittelpumpe ist mit einem Spiralgehäuse ausgestattet, welches zur Erzielung einer kurzen Baulänge des Maschinengehäuses in der Stirnwand im Bereich eines Zylindergehäuses integriert ist. Das Spiralgehäuse bildet dabei einen Druckraum der Kühlmittelpumpe, während ein Saugraum und Leitungsstutzen in ein separates Gehäuse integriert sind.
Die EP 1 085 217 A2 beschreibt ein Pumpengehäuse mit integrierter Elektronik, wobei das Pumpengehäuse eine Aufnahme aufweist, auf der das Elektronikmodul in einem wärmeleitenden Kontakt zu dem in der Spiralkammer befindlichen Pumpmedium befestigbar ist. Das vom Medium durchströmte und die Spiralkammer zumindest teilweise umgebende Pumpengehäuse wird dabei als Kühlkörper verwendet.
Die DE 198 51 232 A1 offenbart eine Brennkraftmaschine mit einem eine Kühlmittelpumpe aufweisenden Kühlsystem. Ein Spiralgehäuse des Zulaufkanals der Kühlmittelpumpe hat einen Austrittsstutzen, der in Verbindung mit der Brennkraftmaschine steht.
Ferner betrifft die DE 10 2009 040 799 A1 ein Brennstoffzellensystem mit einem Diffusor, der Teil einer Kühlmittelpumpe ist. Das Brennstoffzellensystem definiert einen integralen Diffusor einer Kreisel- bzw. Zentrifugalpumpe, wie eine Pumpe für Hochtemperaturkühlmittel, einen Luftkompressor, eine Anodenrezirkulationspumpe, ein Gehäuse, das eine Verdrängermaschine umschließt, sowie andere Komponenten. Die Pumpe für Hochtemperaturkühlmittel kann Kühlmittel druckbeaufschlagen und durch einen Kühlmittelkreis sowie durch Kühlmittelverteilungsschichten in dem Brennstoffzellenstapel umwälzen bzw. zirkulieren. Der Diffusor kann eine spiralförmige Einsenkung oder Vertiefung und eine sich in einer Umfangsrichtung von einem Ende zu ihrem anderen Ende verjüngende Dicke besitzen.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Kühlmittelpumpe der eingangs genannten Art derart auszuführen, dass diese bei zugleich kompakten Abmessungen und einem geringen Energieverbrauch hohe Kühlleistungen bereitstellen kann.
Diese Aufgabe wird gelöst mit einer Kühlmittelpumpe gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
Erfindungsgemäß ist also eine Kühlmittelpumpe vorgesehen, deren Ansaugkanal zumindest abschnittsweise mit einem Strömungsleitelement ausgestattet ist, durch welches innerhalb des Ansaugkanals ein rotationsbehafteter Wirbel des angesaugten Fluids entsteht, dessen Rotationsachse eine insbesondere im Wesentlichen zu der Rotationsachse des Flügelrads parallele Orientierung aufweist. Hierdurch, wird dem zugeführten Kühlmittel eine gezielte Rotation als Verwirbelung oder Drall aufgeprägt, um so bereits vor dem Eintritt in das Flügelrad eine die Pumpenleistung begünstigende Strömung oder Dynamik zu erzeugen. Auf diese Weise wird eine wesentliche Steigerung des Wirkungsgrads und damit eine Leistungssteigerung der Kühlmittelpumpe bei reduziertem Energieverbrauch realisiert. Insbesondere kann erfindungsgemäß auf eine langgestreckte Ausrichtung des Ansaugkanals verzichtet und die Kühlmittelpumpe daher sehr kompakt ausgeführt werden. Die Wirkungsgradsteigerung lässt sich dabei gleichermaßen bei Kühlmittelpumpen erzielen, die mittels der Brennkraftmaschine oder mittels eines separaten elektrischen Antriebs betrieben werden.
Eine besonders Erfolg versprechende Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird dadurch erreicht, dass das Strömungsleitelement an einer Innenwandfläche des Ansaugkanals angeordnete Vertiefungen und/oder Erhebungen aufweist, die eine vorbestimmte Neigung, insbesondere eine Steigung gegenüber der Längsachse des Ansaugkanals aufweisen. Hierdurch wird eine weitere Verbesserung des Wirkungsgrads erreicht, indem mittels der abwechselnden Vertiefungen und Erhebungen ein Drall der Strömung erzeugt wird. Dabei beruht die Verbesserung des Wirkungsgrads auf der Vergleichmäßigung der Strömung beim Durchtritt des Strömungsleitelements. Die Verbesserung des Wirkungsgrads ist dabei umso größer, je ungleichmäßiger die Zuströmung ist. Eine mögliche Erklärung für diesen überraschenden und für die Fachwelt unerwarteten Effekt der Wirkungsgradverbesserung ist in der dünneren Grenzschicht zu suchen, da durch die Drallkomponente der Impulsaustausch mit den äußeren Stromflächen verbessert wird, wodurch sich ein Ablösen an der Wand erst bei größeren Öffnungswinkeln einstellt. Die Erhöhung der auftretenden Scherkräfte führt zu einer homogenen Verteilung des Fluids und der Temperatur innerhalb des Strömungsleitelements.
Nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind hierzu die Vertiefungen oder Erhebungen wendel- oder spiralförmig an der Innenwandfläche angeordnet. Hierdurch wird die eintretende Fluidströmung in die gewünschte Rotation um die Mittellängsachse des Strömungsleitelements versetzt, ohne dass dabei zugleich eine Ablösung der Strömung zu befürchten ist. Die Steigung der Vertiefungen oder Erhebungen ist dabei wesentlich abhängig von den Parametern der Zuströmung.
Die Vertiefungen oder Erhebungen könnten lediglich abschnittsweise, beispielsweise im Bereich der Eintrittsöffnung, angeordnet sein. Besonders praxisgerecht ist hingegen eine Ausgestaltung, bei der die Vertiefungen oder Erhebungen durchgehend zwischen der Eintrittsöffnung und der Austrittsöffnung verlaufend angeordnet sind, sodass die Rotationsbewegung besonders effektiv erfolgen kann und eine Strömungsablösung innerhalb des Strömungsleitelements ausgeschlossen ist.
Die Vertiefungen oder Erhebungen könnten durch Nuten oder Einfräsungen in der Innenwandfläche gebildet sein oder in Form von Rippen an der ansonsten glatten Innenwandfläche angeordnet sein. Besonders effektiv ist hingegen eine Ausgestaltung, bei der die Vertiefungen oder Erhebungen einen stetigen Verlauf in der Querschnittsebene des Ansaugkanals aufweisen. Hierdurch wird insbesondere eine unerwünschte Strömungsablösung, die nach den bisherigen Erkenntnissen zu Strömungsverlusten und damit zu einer Reduzierung des Wirkungsgrads führen kann, vermieden.
Dabei weisen nach einer weiteren besonders Erfolg versprechenden Abwandlung die Vertiefungen oder Erhebungen zwischen der Eintrittsöffnung und einer Austrittsöffnung einen stetigen Neigungs- bzw. Steigungswinkel auf, um so insbesondere Sprünge oder Unterbrechungen der Vertiefungen oder Erhebungen und das damit verbundene Auftreffen der Fluid-Strömung auf Kanten oder Randabschnitte zu verhindern.
Grundsätzlich sind Ausführungsformen denkbar, bei denen die Vertiefungen oder Erhebungen zwischen der Eintrittsöffnung und einer Austrittsöffnung eine konstante Breite sowie Geometrie aufweisen, wobei aufgrund der abweichenden Querschnittsflächen die Anzahl der Vertiefungen oder Erhebungen ebenfalls unterschiedlich ist. Besonders einfach ist demgegenüber eine Weiterbildung, bei der die Breite der Vertiefungen oder Erhebungen zwischen der Eintrittsöffnung und einer Austrittsöffnung stetig zunimmt oder abnimmt, sodass die abweichende Größe des Eintritts- gegenüber des Austrittsquerschnitts durch eine entsprechende Veränderung der Breite oder Geometrie der Vertiefungen oder Erhebungen erreicht wird.
Dabei erweist es sich zudem als besonders praxisnah, wenn die die Vertiefungen oder Erhebungen übenden Innenumfang der Innenwandfläche gleichverteilt sowie symmetrisch zur Mittellängsachse angeordnet sind, um so ein über den Querschnitt des Strömungsleitelements homogenes Rotationsprofil zu erreichen, welches zu einem weiter verbesserten Wirkungsgrad führt.
Ebenso erweist es sich zur Erzielung einer optimalen Angleichung der Strömung über den Querschnitt des Strömungsleitelements als besonders zweckmäßig, wenn die Vertiefungen oder Erhebungen in der Querschnittsebene übereinstimmende Abmessungen aufweisen und dabei insbesondere geometriebedingte Abweichungen vermieden werden.
Hierzu können die Vertiefungen oder die Erhebungen auch derart ausgeführt sein, dass die Vertiefungen oder Erhebungen aus Kreissegmenten ohne Unstetigkeitsstellen zusammengesetzt sind, wobei insbesondere die Steigungsdifferenzen konstant sind. Örtliche Druckdifferenzen können so in optimaler Weise ausgeschlossen werden.
Der Ansaugkanal könnte gemäß einer weiteren Erfolg versprechenden Abwandlung, bei welcher die jeweiligen Querschnittsflächen der Eintrittsöffnung und der dem Flügelrad zugewandten Austrittsöffnung voneinander abweichen, von seiner Grundform entsprechend einer Düse ausgeführt werden. Selbstverständlich sind auch vorteilhafte Anwendungen realisierbar, bei denen das Strömungsleitelement als ein Diffusor wirkt.
Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in
1 eine teilweise geschnittene Vorderansicht einer erfindungsgemäßen Kühlmittelpumpe;
2, die in 1 gezeigte Kühlmittelpumpe in einer geöffneten Seitenansicht.
Die erfindungsgemäße Kühlmittelpumpe 1 für eine nicht gezeigte Brennkraftmaschine wird nachstehend anhand der 1 und 2 näher erläutert, welche einerseits eine teilweise geschrittene Vorderansicht, andererseits eine Seitenansicht der hierzu geöffneten Kühlmittelpumpe 1 zeigen. Die Kühlmittelpumpe 1 hat ein Flügelrad 2, durch welches das Kühlmittel auf einer einen Saugraum 3 aufweisenden Saugseite 4 durch einen Ansaugkanal 5 in Pfeilrichtung 6 eintritt und entsprechend der Leistung der Kühlmittelpumpe 1 mit einem erhöhtem Druck in Bezug auf die Rotationsachse 7 des Flügelrads 2 in Pfeilrichtung 8 auf einer Druckseite 9 aus einem Druckraum 10 austritt. Der Ansaugkanal 5 ist zumindest abschnittsweise mit einem Vertiefungen 11 und Erhebungen 12 aufweisenden Strömungsleitelement 13 ausgestattet, durch deren wendel- oder spiralförmige Steigung innerhalb des Ansaugkanals 5 ein rotationsbehafteter Wirbel des angesaugten Fluids entsteht, dessen Rotationsachse im Wesentlichen mit der Rotationsachse 7 des Flügelrads 2 überstimmt. Hierdurch wird dem zugeführten Kühlmittel eine gezielte Rotation als Verwirbelung oder Drall aufgeprägt, um so bereits vor dem Eintritt in das Flügelrad 2 eine die Pumpenleistung begünstigende Strömung zu erzeugen und den Wirkungsgrad der Kühlmittelpumpe 1 wesentlich zu steigern.
Bezugszeichenliste

1: Kühlmittelpumpe
2: Flügelrad
3: Saugraum
4: Saugseite
5: Ansaugkanal
6: Pfeilrichtung
7: Rotationsachse
8: Pfeilrichtung
9: Druckseite
10: Druckraum
11: Vertiefungen
12: Erhebungen
13: Strömungsleitelement

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10041915 A1 [0003]
EP 0262597 B1 [0004]
EP 1085217 A2 [0005]
DE 19851232 A1 [0006]
DE 102009040799 A1 [0007]

Claims

Eine insbesondere für eine Brennkraftmaschine bestimmte, ein Flügelrad (2) aufweisende Kühlmittelpumpe (1) mit einem eine Druckseite (9) bildenden Druckraum (10) sowie einem eine Saugseite (4) bildenden, mit einem Ansaugkanal (5) ausgestatteten Saugraum (3), dadurch gekennzeichnet, dass der Ansaugkanal (5) zumindest abschnittsweise mit einem Strömungsleitelement (13) ausgestattet ist, durch welches innerhalb des Ansaugkanals (5) ein rotationsbehafteter Wirbel des angesaugten Fluids entsteht, dessen Rotationsachse eine insbesondere im Wesentlichen zu der Rotationsachse (7) des Flügelrads (2) parallele Orientierung aufweist.
Kühlmittelpumpe (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsleitelement (13) an einer Innenwandfläche des Ansaugkanals (5) angeordnete Vertiefungen (11) und/oder Erhebungen (12) aufweist, die eine vorbestimmte Neigung, insbesondere eine Steigung gegenüber der Längsachse des Ansaugkanals (5) aufweisen.
Kühlmittelpumpe (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (11) und/oder die Erhebungen (12) wendel- oder spiralförmig an der Innenwandfläche des Ansaugkanals (5) angeordnet sind.
Kühlmittelpumpe (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (11) und/oder die Erhebungen (12) durchgehend zwischen einer Eintrittsöffnung und einer Austrittsöffnung des Ansaugkanals (5) verlaufend angeordnet sind.
Kühlmittelpumpe (1) nach zumindest einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (11) und/oder die Erhebungen (12) einen stetigen Verlauf in der Querschnittsebene des Ansaugkanals (5) aufweisen.
Kühlmittelpumpe (1) nach zumindest einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (11) und/oder die Erhebungen (12) zwischen der Eintrittsöffnung und der Austrittsöffnung einen stetigen Neigungs- bzw. Steigungswinkel aufweisen.
Kühlmittelpumpe (1) nach zumindest einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (11) und/oder die Erhebungen (12) eine zwischen der Eintrittsöffnung und der Austrittsöffnung stetig zunehmende bzw. abnehmende Breite aufweisen.
Kühlmittelpumpe (1) nach zumindest einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (11) und/oder die Erhebungen (12) über den Innenumfang der Innenwandfläche des Ansaugkanals (5) gleichverteilt angeordnet sind.
Kühlmittelpumpe (1) nach zumindest einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (11) und/oder die Erhebungen (12) in der Querschnittsebene übereinstimmende Abmessungen aufweisen.
Kühlmittelpumpe (1) nach zumindest einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (11) und/oder die Erhebungen (12) aus Kreissegmenten zusammengesetzt sind.
Kühlmittelpumpe (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ansaugkanal (5) mit einer Eintrittsöffnung und einer dem Flügelrad (2) zugewandten Austrittsöffnung ausgestattet, ist, deren jeweilige Querschnittsflächen voneinander abweichen.