-
Die Erfindung betrifft eine Fliehkraftunterdruckpumpe sowie ein Verfahren zur Unterdruckerzeugung gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
-
Elektrische Unterdruckpumpen zur Versorgung von Bremskraftverstärkern in Kraftfahrzeugen sind häufig entweder als Flügelzellenpumpen oder als Membrankolbenpumpen ausgebildet. Deren Arbeitsprinzipien weisen jedoch eine Reihe von Nachteilen auf: Flügelzellenpumpen haben eine begrenzte Lebensdauer aufgrund des Verschleißes der Flügelzellen, eine begrenzte Dauerlaufzeit aufgrund von Überhitzungsgefahr sowie einen schlechten Wirkungsgrad, insbesondere aufgrund von hoher Reibung zwischen Flügelzellen und Käfig. Membrankolbenpumpen haben eine bessere Lebensdauer als Flügelzellenpumpen, die aber ebenfalls begrenzt ist, insbesondere aufgrund von Versprödung der Membrane. Membrankolbenpumpen haben außerdem eine hohe Leistungsaufnahme bei tiefen Temperaturen, insbesondere unter –40°C, benötigen viel Bauraum und leiden an Reibverlusten aufgrund des nötigen Umsetzens einer Drehbewegung in eine Längsbewegung.
-
Alle gebräuchlichen elektrischen Vakuumpumpen haben einen schlechten Wirkungsgrad, d. h. ein schlechtes Verhältnis von erbrachter Unterdruck-Arbeit zu aufgenommener elektrischer Leistung während der Pumpenlaufzeit.
-
Aus der
DE 197 25 335 A1 ist eine Fliehkraftunterdruckpumpe gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bekannt. Darin wird auch vorgeschlagen, die Fliehkraftunterdruckpumpe als Unterdruckquelle für einen Bremskraftverstärker zu verwenden. Die darin beschriebene Fliehkraftunterdruckpumpe enthält einen ringförmigen Raum um die Welle, in den einerseits die Saugleitung mündet und an den andererseits die radial inneren Enden der durch gekrümmte Schaufeln ausgebildeten Luftströmungskanäle angrenzen. In dem ringförmigen Raum strömt die anzusaugende Luft sowohl axial als auch radial zu der Welle, was die Bildung von Turbulenzen fördert. Die Schaufeln und damit die Luftströmungskanäle sind relativ kurz. Außerdem müssen sich die Schaufeln an einer feststehenden Fläche des Gehäuses vorbei bewegen, und weil der Spalt dazwischen nicht beliebig klein gemacht werden, ohne dass Reibung bzw. übermäßige Reibung entsteht, kann die gepumpte Luft dort in Bereiche mit niedrigerem Druck zurückströmen. All dies begrenzt den Wirkungsgrad bzw. die erzielbare Druckdifferenz.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, den Wirkungsgrad bzw. die erzielbare Druckdifferenz einer Fliehkraftunterdruckpumpe zu verbessern.
-
Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Fliehkraftunterdruckpumpe und einem gattungsgemäßen Verfahren zur Unterdruckerzeugung durch die kennzeichnenden Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
-
Bei der Erfindung bildet die Welle einen Abschnitt der Saugleitung, in dem die anzusaugende Luft im Wesentlichen koaxial zur Welle strömt und dann an den Löchern zu den Luftströmungskanälen umgelenkt wird. Dadurch werden axiale und radiale Luftströmungen strömungsgünstig entkoppelt, was Turbulenzen entgegenwirkt. Indem das Innere der Welle für die axiale Luftzufuhr genutzt wird, können die Luftströmungskanäle bei gleichem Außenumfang des Pumpenrades länger sein als in dem o. g. Stand der Technik. Aufgrund der axialen Saugluftführung muß die gepumpte Luft in Bezug auf die Achse der Welle nur zwei mal um ca. 90 Grad umgelenkt werden statt drei mal wie im o. g. Stand der Technik. Für Luftdichtigkeit zwischen relativ zueinander beweglichen Teilen kann einfach mit einer Abdichtung zwischen dem Gehäuse und der Welle gesorgt werden, was wegen des relativ geringen Radius der Welle leicht und reibungsarm realisierbar ist.
-
All dies verbessert den Wirkungsgrad und die mit der Fliehkraftunterdruckpumpe erzielbare Druckdifferenz ganz erheblich, weshalb sich die Erfindung besonders als elektrisch angetriebene Vakuumpumpe zur Unterdruckversorgung von Bremssystemen eignet. Der verbesserte Wirkungsgrad ermöglicht eine Senkung des Kraftstoff- bzw. Energieverbrauchs von Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor, Elektromotor oder mit beidem, wie bei Hybridfahrzeugen.
-
Das erfindungsgemäße Pumpenprinzip hat aber noch zahlreiche andere Anwendungsmöglichkeiten zur Versorgung von Geräten oder Maschinen mit Unterdruck bzw. zur Luftabsaugung, wobei der Begriff Luft hier nicht nur das in der Erdatmosphäre vorhandene Gasgemisch, sondern auch andere Gase oder Gasgemische umfassen soll.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Fliehkraftpumpenrad ein geschlossenes Pumpenrad, d. h. die Luftströmungskanäle des Fliehkraftpumpenrades sind mit Ausnahme ihrer radial inneren und äußeren Enden ringsum geschlossen, so dass entlang der Länge der Luftströmungskanäle nirgends Nebenluft ein- oder austreten kann.
-
Anders als in dem o. g. Stand der Technik oder bei konventionellen Fliehkraft-Ventilatoren, bei denen die Luftströmungskanäle im Pumpenrad mehr oder weniger gekrümmt verlaufen und sich nach außen hin im Querschnitt erweitern, verlaufen in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Luftströmungskanäle des Fliehkraftpumpenrades im Wesentlichen geradlinig radial von der Welle weg und haben entlang ihrer Länge im Wesentlichen denselben. Querschnitt. Die durch solche geraden Kanäle strömende Luft wird maximal beschleunigt, und da der Strömungsquerschnitt der Kanäle in Radialrichtung nicht größer wird, nimmt die Geschwindigkeit der darin geförderten Luft weniger ab als wenn ihr Querschnitt nach außen hin größer würde. Beide Maßnahmen vergrößern die erzielbare Druckdifferenz.
-
Die Fliehkraftunterdruckpumpe kann mittels eines Elektromotors leicht auf hohe Drehzahlen gebracht werden, mit denen ausreichende Förderleistung und Druckdifferenz zur Vakuumversorgung von Bremskraftverstärkern erzeugt werden. Bei Einsatz in einem Kraftfahrzeug kann die Fliehkraftunterdruckpumpe alternativ auch durch einen Verbrennungsmotor oder irgendein Hilfsaggregat eines Verbrennungsmotors mechanisch angetrieben werden.
-
Erfindungsgemäß kann das Turbinenrad auch als elf integriertes radial/axiales Turbinenrad ausgestaltet sein. Die hohle zentrale Axialwelle ist dabei mit einem funktionalen Innenraum des integrierten radial/axialen Turbinenrades verbunden. Die Luft wird über die hohle Axialwelle durch das Turbinenrad abgesaugt.
-
Bei Einsatz des integrierten radial/axialen Turbinenrades in der erfindungsgemäßen Unterdruckpumpe lenkt bereits das Turbinenrad die Luftströmung um. Aufwendige Leitbleche sind daher nicht notwendig. Ebenso spart man die Lippendichtung zur redundanten Abdichtung der Hohlwelle ein. Die beidseitigen axialen Luftauslässe können durch einen einseitigen Luftauslaß ersetzt werden. Der ringförmige Luftauslaß kann entfallen und durch einen zylindrischen Luftauslaß ersetzt werden.
-
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
-
1 einen Längsschnitt durch eine Fliehkraftunterdruckpumpe mit Hohlwelle und geschlossenem Radialturbinenrad;
-
2a–c einen radialen. Teilquerschnitt durch die Hohlwelle, das Radialturbinenrad und einige der zugehörigen Leitschaufeln entlang einer Linie A-A in 1 sowie zwei Ansichten auf das Turbinenrad mit zugehörigen Leitschaufeln in zwei Ausführungsformen;
-
3 eine Prinzipskizze einer Fliehkraftunterdruckpumpe mit Hohlwelle, geschlossenem Radialturbinenrad und zusätzlichem Axialturbinenrad.
-
4 ein integriertes radial/axiales Turbinenrad
-
5 ein alternatives Design der erfindungsgemäßen Fliehkraftpumpe
-
Die in 1 gezeigte Fliehkraftunterdruckpumpe enthält ein im Wesentlichen rotationssymmetrisches Gehäuse 1, entlang dessen Achse eine Hohlwelle 2 drehbar gelagert ist. Die Hohlwelle 2 hat ein geschlossenes Ende, das mit einem zentrisch angeordneten Rotor eines schematisch eingezeichneten, axial im oder am Gehäuse 1 befestigten Elektromotors 3 verbunden ist und mittels des Rotors des Elektromotors 3 gelagert ist. In einem axialen Abstand vom Elektromotor 3 ist die Hohlwelle 2 mittels eines Rillenkugellagers 4 im Gehäuse 1 gelagert.
-
An der Hohlwelle 2 sind zwei scheibenförmige Schaufelträger 5, 6 angeformt, die sich in einem axialen Abstand voneinander jeweils vom Mantel der Hohlwelle 2 radial nach außen erstrecken und somit zusammen mit der Hohlwelle 2 rotieren, wenn diese durch den Elektromotor 3 angetrieben wird.
-
Die beiden Schaufelträger 5, 6 tragen zwischen sich vierundzwanzig Schaufeln 7, die in Winkelabständen von 15 Grad rings um die Hohlwelle 2 herum verteilt sind, wie in 2a angezeigt, worin nur einige der Schaufeln 7 eingezeichnet sind und bilden so ein Fliehkraftpumpenrad.
-
Anders als bei üblichen Fliehkraftpumpenrädern sind die Schaufeln 7 keine dünnen Blätter, sondern im Querschnitt keilförmig, wenn man wie in 2a senkrecht auf die Achse der Hohlwelle 2 blickt, derart, dass die Zwischenräume zwischen den Schaufeln 7 langgestreckte Luftströmungskanäle 8 bilden, die geradlinig radial von der Hohlwelle 2 weg verlaufen und entlang ihrer Länge denselben Querschnitt haben, nämlich länglich rechteckig, wie z. B. von einem Ort rechts von 2a her gesehen.
-
Die Schaufelträger 5, 6 haben nicht nur die Funktion, die Schaufeln 7 zu tragen, sondern auch, die dazwischen gebildeten Luftströmungskanäle 8 entlang ihrer in Radialrichtung verlaufenden Länge ringsum geschlossen zu halten.
-
Die Schaufeln 7 können z. B. aus Blech gebogen und an die Schaufelträger 5, 6 angeschweißt sein. Alternativ könnte eine durch die Hohlwelle 2, die Schaufelträger 5, 6 und massive Schaufeln 7 gebildete Welle/Pumpenrad-Einheit einstückig sein, z. B. aus Leichtmetall gegossen.
-
Der Mantel der Hohlwelle 2 enthält eine Anzahl von Löchern 9, die das Innere 10 der Hohlwelle 2 mit einem in Radialrichtung schmalen ringförmigen Raum 11 verbinden, der zwischen dem Schaufelträger 5, 6 unterhalb der Schaufeln 7 freigelassen ist und an den die radial inneren Enden der Luftströmungskanäle 8 angrenzen.
-
Die Hohlwelle 2 hat ein offenes Ende, in das ein feststehender Saugstutzen 12 hinein ragt. Der Saugstutzen 12 erstreckt sich von dem offenen Ende der Hohlwelle 2 durch das Gehäuse 1 hindurch nach außen. Das Innere 10 der Hohlwelle 2 ist durch eine zwischen der Hohlwelle 2 und dem Saugstutzen 12 angeordnete ringförmige Dichtpackung 13 luftdicht gegenüber dem Rest des Gehäuses 1 abgedichtet.
-
Für zusätzliche Abdichtung des Inneren 10 der Hohlwelle 2 sorgt eine axial neben dem Rillenkugellager 4 angeordnete ringförmige Lippendichtung 14, deren Dichtlippe auf dem Mantel der Hohlwelle 2 aufliegt und deren Außenumfang fest und dicht im Gehäuse 1 sitzt.
-
Rings um den Umfang des durch die Schaufelträger 5, 6 und Schaufeln 7 gebildeten Fliehkraftpumpenrades sind acht Luftleitbleche 15 in gleichen Abständen verteilt angeordnet. Jedes Luftleitblech 15 ist außen am Gehäuse 1 befestigt und erstreckt sich entlang der Achse des Gehäuses 1 über eine größere Strecke als die axiale Länge des Pumpenrades.
-
Zwischen dem Pumpenrad und den Luftleitblechen 15 gibt es einen kleinen Spalt, und axial außerhalb der axialen Enden des Pumpenrades erstrecken sich die Luftleitbleche 15 noch ein Stück weit in Richtung auf die Achse des Gehäuses 1, wie man in 1 erkennt. Im Bereich der beiden axialen Enden der Luftleitbleche 15 ist das Gehäuse 1 zur Umgebung hin offen und bildet dort ringförmige Luftauslässe 16 und 17. Die ringförmigen Luftauslässe 16 können auch durch eine einfache zylindrische Öffnung ersetzt werden.
-
Ebenfalls kann bei ausreichender axialer Belüftung des Pumpenrades nur zu einer Gehäuseseite entlüftet werden.
-
Die Luftleitbleche 15 können an der zylindrischen Innenwand des Gehäuse 1 spiralförmig zur Längsache angeordnet sein, so dass die vom Pumpenrad geförderte Luft besser seitlich abgeführt werden kann. Die Orientierung des entsprechenden Spiralwinkels hängt dabei von der Drehrichtung des Fliehkraftpumpenrades ab.
-
2b zeigt eine Ausführungsform bei der das Pumpenrad (5, 6, 7) beidseitig axial belüftet ist, wie in 1 durch die ringförmige Luftauslässe 16 und 17 dargestellt. Die Luftleitbleche 15 sind dabei symmetrisch zur Mittelebene des Fliehkraftpumpenrades angeordnet.
-
Hat das Gehäuse nur zu einer Seite einen Luftauslaß, so ist das Pumpenrad einseitig axial belüftet. Die Luftleitbleche sind dann durchgehend zu der belüfteten Seite ausgerichtet, wie in 2c gezeigt.
-
Wenn der Elektromotor 3 die Welle 2 und damit das durch die Schaufelträger 5, 6 und Schaufeln 7 gebildete Fliehkraftpumpenrad, welches mit der Hohlwelle 2 eine Einheit bildet, in der in 2a eingezeichneten Pfeilrichtung dreht, baut sich ein kontinuierlicher Luftstrom entlang der in 1 und 2 schemenhaft eingezeichneten Strömungspfeile auf.
-
Und zwar strömt Luft, z. B. die aus einem Unterdruck-Bremskraftverstärker abzusaugende Luft, am Saugstutzen 12 in das Innere 10 der Welle 2 und von dort durch die Löcher 9 in die Luftströmungskanäle 8, wo sie beschleunigt und dadurch nach außen getrieben wird. Nachdem die Luft radial aus den Luftströmungskanälen 8 ausgetreten ist, wird sie an der Innenseite des Gehäuses 1 in beide Axialrichtungen umgelenkt und strömt entlang der Luftleitbleche 15 und durch die ringförmigen Luftauslässe 16 und 17 aus dem Gehäuse 1 heraus (siehe 2b).
-
Die radial aus dem Fliehkraftrad austretende Luft kann bei ausreichender Belüftung aber auch nur in eine Axialrichtung umgelenkt und durch Luftauslässe 16, 17 zu einer Gehäuseseite entlüftet werden. Die Umleitung in nur eine Axialrichtung erfolgt dann durch Leitbleche 15, die nur zur belüfteten Seite ausgerichtet sind (siehe 2c).
-
Die vom Fliehkraftpumpenrad herausgeschleuderte Luft verursacht ein Nachströmen von Luft über die Hohlwelle 2 und den Saugstutzen 12.
-
Am Ausgang eines der in der 2a unten liegenden Luftströmungskanäle 8 ist die Strömungsgeschwindigkeit der daraus austretenden Luft in Radialrichtung als Folge der Fliehkraft mit einem Pfeil 18 eingezeichnet. Die Strömungsgeschwindigkeit der aus den Luftströmungskanälen 8 austretenden Luft tangential zum Umfang des Pumpenrades als Folge der beim Zentrifugieren auftretenden Coriolis-Kraft ist mit einem Pfeil 19 eingezeichnet. Vektorielle Addition der beiden Strömungsgeschwindigkeiten 18 und 19 ergibt eine schräge absolute Abströmrichtung, die mit einem Pfeil 20 eingezeichnet ist.
-
Man erkennt in 2a, dass sich die Luftleitbleche 15 ungefähr parallel zu der Abströmrichtung 20 erstrecken, wodurch die Luftabfuhr vergleichmäßigt und verbessert wird. Die Abströmrichtung 20 wird überwiegend von dem Eintrittsradius und Austrittsradius des Fliehkraftpumpenrades bestimmt und kann durch eine Berechnung ermittelt werden. Die Luftleitbleche können zusätzlich schräg zum Gehäuseumfang angeordnet sein, so dass die vom Fliehkraftpumpenrad beförderte Luft besser seitlich abgeführt werden kann. Die Orientierung der schrägen Anordnung der Luftleitbleche richtet sich nach der Drehrichtung.
-
Während die Strömungspfeile unten in 2a die absolute Luftströmung anzeigen, d. h. in Bezug auf das Gehäuse 1, zeigen die Strömungspfeile rechts in 2a die relative Luftströmung an, d. h. in Bezug auf das in Pfeilrichtung rotierende Pumpenrad. Man erkennt, dass das Ausströmen der Luft aus den Luftströmungskanälen 8 dadurch erleichtert wird, dass die bezüglich der Drehrichtung des Pumpenrades vordere Fläche der Schaufeln 7 in Radialrichtung kürzer ist als die bezüglich der Drehrichtung des Pumpenrades hintere Fläche der Schaufeln 7. Indem die hintere Fläche der im Querschnitt keilförmigen Schaufeln 7 ein wenig über den übrigen Umfang des Pumpenrades vorsteht, bildet jede Schaufel einen Spoiler 21 aus, der die aus dem vorhergehenden Luftströmungskanal 8 austretende Luft vom Pumpenrad weg lenkt, so dass auch die Luft aus dem nachfolgenden Luftströmungskanal 8 ungestört austreten kann.
-
Die beschriebene Fliehkraftunterdruckpumpe zeigt wesentlich geringere Reibverluste als Flügelzellenpumpen oder Membrankolbenpumpen. Außer den Verlusten am Rillenkugellager 4 der Dichtpackung 13 und der Lippendichtung 14 gibt es keine Reibverluste. Die großen Reibverluste, wie sie zwischen den Flügelzellen und dem Käfig einer Flügelzellenpumpe auftreten, gibt es nicht. Spaltverluste gibt es wegen. dem geschlossenen Fliehkraftpumpenrad 5, 6, 7 nicht. Das Besondere ist, dass der Saugstrom über die Hohlwelle 2 direkt in das geschlossene Fliehkraftpumpenrad 5, 6, 7 gelangt und vom Einlaß bis zum Auslaß durchgehend zur Umgebung abgedichtet ist. Die Unterdruckpumpe ist robust und hat keine Laufzeitbegrenzung wegen Überhitzungsgefahr. Das Konstruktionsprinzip der Unterdruckpumpe ist einfach und kostengünstig. So sind bei Verwendung zur Unterdruckversorgung in Kraftfahrzeugen die Kosten gegenüber den häufig genutzten Flügelzellen und Membrankolbenpumpen wesentlich geringer und erlauben z. B. Mehrkosten für einen bürstenlosen Elektromotor 3, mit dem auch die Lebensdauer nicht mehr begrenzt ist, wie es bei Flügelzellenpumpen oder Membrankolbenpumpen der Fall ist.
-
Die Saugleistung der beschriebenen Fliehkraftunterdruckpumpe kann durch ein zusätzliches Axialturbinenrad erhöht werden, wie in 3 schematisch gezeigt. Ähnlich wie in dem Ausführungsbeispiel von 1 und 2 ist einem Gehäuse 31 eine Hohlwelle 32 gelagert, die von einem Elektromotor 33 angetrieben wird und mit einem Fliehkraftpumpenrad 34 eine Einheit bildet. Auf der dem Elektromotor 33 entgegengesetzten Seite des Fliehkraftpumpenrades 34, welches ein Radialturbinenrad darstellt, trägt die Hohlwelle 32 ein Axialturbinenrad 35, welches die vom Fliehkraftpumpenrad 34 beförderte Luft ansaugt und aus dem Gehäuse 31 heraus befördert, wie mit Strömungspfeilen angedeutet.
-
4 zeigt als weitere Ausführungsform ein integriertes radial/axiales Turbinenrad 36. Die hohle zentrale Axialwelle 10 ist mit dem funktionalen Innenraum des integrierten radial/axialen Turbinenrades 36 verbunden. Die Luft wird über die hohle Axialwelle 10 durch das Turbinenrad 36 abgesaugt.
-
5 zeigt ein alternatives Design der erfindungsgemäßen Fliehkraftpumpe. Hierbei wird die Luft durch ein integriertes radial/axiales Turbinenrad 36 strömungsgünstig umgelenkt. Aufwendige Leitbleche 15 sind hier nicht notwendig. Ebenfalls spart man die Lippendichtung 14 zur redundanten Abdichtung der Hohlwelle ein.
-
Die beidseitigen axialen Luftauslässe werden durch einen einseitigen Luftauslaß ersetzt. Der aufwendige rechte Luftauslaß 17 wird eingespart. Der ringförmige Luftauslaß 16 wird durch einen einfachen zylindrischen Luftauslaß 16a ersetzt.
-
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
-
