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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühlmittelpumpe für einen Kühlmittelkreislauf eines Verbrennungsmotors.
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Stand der Technik
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Seit längerer Zeit werden in Kühlmittelkreisläufen von Verbrennungsmotoren elektrisch angetriebene Kühlmittelpumpen eingesetzt. In einer zunehmenden Zahl von Anwendungen werden elektrische Kühlmittelpumpen bevorzugt gegenüber mechanisch, beispielsweise über einen Riemen, angetriebenen Kühlmittelpumpen eingesetzt, da sie unabhängig von der Drehzahl eines Verbrennungsmotors angetrieben werden und eine höhere Flexibilität bei der Steuerung eines Kühlmittelkreislaufs in Reaktion auf verschiedene Betriebsparameter des Verbrennungsmotors oder Umgebungseinflüsse ermöglichen.
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Eine Problemstellung im Stand der Technik stellt die ausreichende Kühlung des Elektromotors und der Steuerungselektronik innerhalb der Kühlmittelpumpe dar, die einen wesentlichen Faktor für die Lebensdauer der Kühlmittelpumpe und ebenso für die Betriebssicherheit des Verbrennungsmotors und ggf. des angetriebenen Fahrzeugs darstellt. Die Kühlmitteltemperatur kann unter kritischen Umständen sehr nahe an die zulässige Höchsttemperatur der elektronischen und elektrischen Bauteile, die für den Aufbau einer elektrischen Kühlmittelpumpe erforderlich sind, heranreichen, sodass bei zusätzlicher Abwärme des elektrischen Pumpenmotors ein Versagen durch Überhitzung droht.
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Bei der Verwendung eines Elektromotors als Pumpenmotor ist dieser in der Regel gekapselt verbaut, um selbigen vor einer Beeinträchtigung der Zuverlässigkeit durch eindringendes Kühlmittel oder vor sonstigen korrosiven Einflüssen und Verschmutzungen im Betrieb zu schützen. Durch die Kapselung kann die eigene Abwärme des Elektromotors, die mit dessen Verlustleistung einhergeht, nicht wie in anderen Anwendungen durch einen Luftstrom abgeführt werden.
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Bei einem geeigneten elektrischen Pumpenmotor beträgt die Verlustleistung rund 20% der elektrischen Leistung, so dass bei einem Pumpenmotor mit 500 W, wie er beispielsweise in einer Kühlmittelpumpe eines Kühlmittelkreislaufs in einem PKW eingesetzt wird, im Vollastbetrieb ein Wärmeeintrag von 100 W entsteht, der von der Kühlmittelpumpe zusätzlich über die Abwärme des Kühlmittels hinaus aufgenommen wird.
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Zudem ist die Kühlmittelpumpe üblicherweise platzsparend in unmittelbarer Nähe zu dem Verbrennungsmotor installiert. Demzufolge ist die Kühlmittelpumpe einer durch die Abwärme des Verbrennungsmotors erheblich aufgeheizten Umgebungstemperatur ausgesetzt.
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Zur Einhaltung der zulässigen Betriebstemperatur der Kühlmittelpumpe kann ein Wärmeaustausch zu dem Kühlmittel des Verbrennungsmotors genutzt werden. Das Kühlmittel weist einen vielfach höheren Wärmeleitkoeffizienten von etwa 0,441 W/mK gegenüber Luft mit 0,0262 W/mK auf. Zudem hält es im Betrieb des Kühlmittelkreislaufs einen definierten Temperaturbereich ein, wohingegen die Temperatur der Luft in Abhängigkeit von der Umgebung, insbesondere des Verbrennungsmotors, und ggf. einer Bewegungsgeschwindigkeit stark variiert. Allerdings nimmt das Kühlmittel im Betrieb des Verbrennungsmotors eine hohe Temperatur auf und bringt abgesehen von der Verlustleistung der Kühlmittelpumpe bereits selbst einen hohen Wärmeeintrag in die Kühlmittelpumpe ein.
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Nach dem Durchlaufen des Kühlers bzw. eines Wärmetauschers mit der Umgebung sollte das Kühlmittel nach Auslegung von Standards der Automobilbranche noch eine maximale Temperatur von bis zu 113°C aufweisen. In Anwendungen mit besonderer Beanspruchung, extremen Umgebungstemperaturen, oder in ungünstigen Fällen kann das Kühlmittel in einem Kühlmittelkreislaufs eines Verbrennungsmotors in einem Fahrzeug jedoch beispielsweise eine Temperatur von 120°C oder sogar 130°C erreichen.
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Hierbei steht eine geringe Temperaturdifferenz von nur wenigen Grad zwischen der Kühlmitteltemperatur und der zulässigen Betriebstemperatur der Kühlmittelpumpe zur Verfügung, um die Wärme der Verlustleistung des Elektromotors abzuführen. Um eine zuverlässige Funktion des Elektromotors und der elektronischen Bauteilen in der Kühlmittelpumpe auch unter kritischen Bedingungen hinsichtlich des Betriebszustands des Verbrennungsmotors oder der Außentemperatur sicherzustellen, besteht eine technische Anforderung, trotz der geringen nutzbaren Temperaturdifferenz einen effizienten Wärmetransport zwischen der Kühlmittelpumpe und dem Kühlmittel herzustellen.
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Mit der deutschen Patentanmeldung
DE 103 14 526 A1 hat die Anmelderin eine strömungsgekühlte, elektrische Kühlmittelpumpe offenbart, bei der ein Motorgehäuse vom Kühlmittel umströmt wird. Dabei ist ein Saugstutzen im Bereich des vom Pumpenlaufrad abgewandten Endes des Pumpenmotors angeordnet. Das Kühlmittel, das durch den Saugstutzen angesaugt wird, wird von einem von der Außenwand des Pumpengehäuses und der zugewandten Innenwand des Pumpengehäuses begrenzten Strömungskanal am Pumpenmotor vorbeigeführt.
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Die europäische Patentanmeldung
EP 2 573 401 A2 beschreibt eine Kühlmittelpumpe mit einem Gehäuse, einem darin angeordneten Antrieb und einem Impeller. Eine Wellendichtung ist einem Unterdruckbereich auf der Auslassseite der zugeordnet, wodurch die Dichtung nicht direkt einer Belastung durch den Förderstrom ausgesetzt ist.
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Die Patentanmeldung US 2002/0106290 A1 betrifft eine Fluidpumpe, die eine verkapselte Stator-Baugruppe umfasst, die einen Pumpenmotor abdichtet und einen Wärmetransport von dem Motor und der Elektronik zu dem Arbeitsfluid erleichtert.
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Durch diesen Aufbau konnte bereits eine wirkungsvolle Kühlung des Pumpenmotors und der Steuerungselektronik durch eine große Wärmetauschfläche zu der Mantelströmung erzielt werden. Allerdings erfordert dieser Pumpenaufbau eine besonders zuverlässige und aufwändige Abdichtung des Motorgehäuses gegenüber dem Kühlmittelstrom, die mit erhöhten Kosten verbunden ist. Zudem weist jede Dichtung eine begrenzte Lebensdauer auf, die zugleich einen entscheidenden Faktor für die maximal erreichbare Betriebsdauer der Kühlmittelpumpe darstellt.
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Die Patentanmeldung
DE 10 2008 055 614 A1 offenbart eine Kreiselmotorpumpe in Nassläuferbauart, bei der ein Elektromotorenrotor von einem Vergussmaterial umgeben ist, das den Stator, die Wicklungen, das Statorpaket und ein Spaltrohr oder einen Spalttopf aufweist. Der Stator ist wiederum von einem Motorgehäuse umgeben.
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Die
EP 0 657 653 A1 beschreibt eine Spaltrohrmotorpumpe mit einem gekapselten Motor von relativ kleiner Größe und geringer Ausgangsleistung beispielsweise zur Anwendung beim Zirkulieren von warmen Wasser. Bei derartigen Spaltrohrpumpen mit einem Nassläufermotor wird der gesamte Förderstrom durch ein Spaltrohr geführt, das die Welle und den Rotor einhaust und den Stator vom Förderstrom abgrenzt. Diese Pumpengattung bringt jedoch hohe Planschverluste mit sich, da der gesamte Förderstrom den rotierenden Rotor passieren muss, so dass die gewünschte Effizienz bei höheren Förderleistungen nicht mehr erreicht wird.
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Die europäische Patentanmeldung
EP 1 045 149 A2 und die deutsche Patentschrift
DE 10 2011 009 192 B3 beschreiben Kühlmittelpumpen vom Radialpumpentyp mit einem Nassläufer, bei dem das Kühlmittel axial auf ein zwischen Pumpeneinlass und Pumpenmotor angeordnetes Radialpumpenlaufrad anströmt. Dabei gelangt ein kleiner Teil des Kühlmittels aus der Pumpenkammer als Leckage-Strom durch einen Spalt zwischen Pumpenlaufrad und Welle (wie bei der Pumpe aus der
EP 1 045 149 A2 ), oder zwischen Pumpenlaufrad und Pumpengehäuse (wie bei der Pumpe aus der
DE 10 2011 009 192 B3 ), oder wie es ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannt ist, durch eine Hohlwelle des Pumpenmotors, in einen Nasslaufbereich des Pumpenmotors, wobei durch die Umwälzung an rotierenden Bauteilen des Pumpenmotors eine Zirkulation mit einem Rückfluss in die Pumpenkammer erzeugt wird.
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Durch einen Nassläufer als Pumpenmotor entfällt bei diesen Kühlmittelpumpen der Einsatz einer Dichtung und der kleine zirkulierende Leckage-Strom verursacht geringe Planschverluste. Allerdings trägt hierbei auch ein unbedeutend geringer Teil des Kühlmittels am Wärmetransport zur Abfuhr der Abwärme des Pumpenmotors in den Kühlmittelkreislauf bei. Somit erfolgt der wesentliche Austausch der Abwärme aus der Verlustleistung des Pumpenmotors zwischen der äußeren Oberfläche des Pumpengehäuses und der Luft in einer durch den Verbrennungsmotor aufgeheizten Umgebung.
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Aufgabenstellung
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kühlmittelpumpe für einen Kühlmittelkreislauf eines Verbrennungsmotors zu schaffen, die eine effektive Kühlung des Pumpenmotors ermöglicht und keine Abdichtung zwischen rotierenden und statischen Elementen der Kühlmittelpumpe gegenüber dem Kühlmittel erfordert.
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Die zugrundeliegende Aufgabe wird, ausgehend von der in der
DE 103 14 526 A1 beschriebenen Kühlmittelpumpe mit Führung eines Mantelstroms und der Verwendung eines Nassläufers mit Spaltrohr als Pumpenmotor, erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Motorkammer an den axialen Enden des Spaltrohrs einen von einer Einlasskammer zum Spaltrohr geöffneten Einlassbereich und einen vom Spaltrohr zu einem radial verjüngten Abschnitt des Strömungskanals geöffneten Auslassbereich aufweist, so dass ein Teil des Kühlmittels, das aus der Einlasskammer auf die Motorkammer zuströmt, am Einlassbereich der Motorkammer in das Spaltrohr abgezweigt wird, in dem Spaltrohr als Bypass-Strom axial entlang der Motorwelle durch die Motorkammer hindurch geführt wird, dabei den Rotor passiert, und am Auslassbereich der Motorkammer koaxial zur Motorwelle dem Mantelstrom in dem verjüngten Abschnitt des Strömungskanals wieder zugeführt wird, wonach das derart zusammengeführte Kühlmittel das Pumpenlaufrad axial nahe der Motorwelle anströmt, vom Pumpenlaufrad in der Pumpenkammer umgewälzt wird, und durch den Auslassstutzen aus der Pumpenkammer ausströmt.
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Bei dem erfindungsgemäßen Pumpenaufbau ist trotz der einer Kühlmittelpumpe entsprechend hohen Förderleistung erstmals eine axiale Durchströmung des Nassläufer-Pumpenmotors vorgesehen. Im Gegensatz zu bekannten Kühlmittelpumpen mit Nassläufern, bei denen ein Leckage-Kreislauf durch einen Ringspalt oder eine Hohlwelle zirkuliert, strömt hierbei ein erheblich höherer Volumenstrom innerhalb des Stators, der durch eine Druckdifferenz zu beiden Seiten der Motorkammer bzw. des Spaltrohrs begünstigt wird.
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Zusätzlich ist eine axiale Umströmung außerhalb des Stators durch einen Mantelstrom vorgesehen, der einen Großteil des geförderten Volumenstroms führt. Durch die erstmalige Kombination der beiden Ströme und einem eingestellten Verhältnis zwischen diesen beiden ist es möglich, die Planschverluste des durchströmten Rotors gegenüber der herkömmlichen Bauform von Spaltrohrpumpen zu minimieren und eine als Kühlmittelpumpe geeignete Fördereffizienz zu erzielen.
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Mit der koaxial geführten Umströmung und Durchströmung des Pumpenmotors wird eine aktive Wasserkühlung mit erzwungener Konvektion realisiert, die insbesondere unter kritischen Umgebungs- und Betriebsbedingungen, einer Luftkühlung mit freier Konvektion zwischen einer äußeren Oberfläche des Pumpengehäuses und einer durch den Verbrennungsmotor aufgeheizten Umgebung überlegen ist. Durch zwei ringförmige Wärmetauschflächen zwischen Pumpenmotor und Kühlmittel sowie einer turbulenten Kühlmittelströmung wird ein besonders effektiver Wärmetransport erzielt. Infolgedessen wird auch bei hoher Verlustleistung unter Volllastbetrieb des Pumpenmotors und bei hoher Kühlmitteltemperatur eine ausreichende Wärmeabfuhr an dem Pumpenmotor erreicht, sodass eine geringe Temperaturdifferenz zwischen dem Kühlmittel und den Pumpenbauteilen sichergestellt ist, und eine Überschreitung der zulässigen Betriebstemperatur der Kühlmittelpumpe zuverlässig unterbunden wird.
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Somit konnte nun eine Kühlmittelpumpe mit einer zuvor unerreichten Temperaturverträglichkeit geschaffen werden, die Grenzwerten von 150°C maximaler Umgebungstemperatur und 135°C maximaler Kühlmitteltemperatur zuverlässig standhielt. Somit kann unteranderem eine besondere Betriebssicherheit bei kritischen Anwendungen, wie in Kraftfahrzeugen in heißen Gegenden, beispielsweise einem Allradfahrzeug für den Einsatz in der Wüste, gewährleistet werden.
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Die erfindungsgemäße Kühlmittelpumpe ist aufgrund der effizienten Wärmeabfuhr besonders für leistungsstarke Elektromotoren von z. B. 1000 W geeignet, die bei einer Verlustleistung von 200 W eine entsprechend höhere Abwärme produzieren. Dadurch können bei herkömmlicher Dimensionierung der Kühlmittelpumpe zusätzliche Leistungsreserven zur erhöhten Umwälzungsgeschwindigkeit des Kühlmittelkreislaufs in kritischen Betriebszuständen bereitgestellt werden. Anderenfalls kann durch den Einsatz eines besonders leistungsstarken Elektromotors eine, im Verhältnis zum Verbrennungsmotor bzw. dessen Kühlmittelkreislauf, kleiner dimensionierte Kühlmittelpumpe zu günstigeren Herstellungskosten eingesetzt werden.
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Darüber hinaus entfällt bei der erfindungsgemäßen Kühlmittelpumpe der Einsatz einer möglichst zuverlässigen und dementsprechend aufwändigen Abdichtung zwischen rotierenden und statischen Bauteilen, wie insbesondere zwischen der Motorwelle und einem Gehäuse des Pumpenmotors. Hierdurch werden Herstellungs- und Montagekosten eingespart. Vor allem jedoch wird bei dem erfindungsgemäßen Pumpenaufbau ein Bauteil mit begrenzter Lebensdauer eliminiert, wodurch die maximal erreichbare Betriebsdauer der Kühlmittelpumpe erhöht wird.
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Ferner weist die erfindungsgemäße Kühlmittelpumpe keinen volumetrischen Verlust auf, da die beiden Kühlmittelströme vor dem Pumpenlaufrad wieder vereint werden.
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Zudem kann durch die Ausgestaltung des Pumpengehäuses und der Strömungsführung eine ausreichend dimensionierte Motorkammer für verschiedene Statordurchmesser bereitgestellt werden, und Gestaltungsfreiheit zum Einsatz verschiedener Typen von Pumpenlaufrädern, insbesondere radial oder axial beschleunigende Typen von Pumpenlaufrädern geschaffen werden.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Kühlmittelpumpe ist vorgesehen, dass die Kühlmittelpumpe ein radial beschleunigendes Pumpenlaufrad aufweist, wobei die Pumpenkammer ein Spiralgehäuse und einen tangential ausleitenden Auslassstutzen umfasst. Somit lässt sich der erfindungsgemäße Pumpenaufbau mit den vorstehend genannten Vorteilen als eine Halbaxialpumpe realisieren. In dieser Ausführungsform weist die Kühlmittelpumpe kurze axiale Länge auf.
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In einer weiteren Ausführungsform der Kühlmittelpumpe kann die Kühlmittelpumpe ein axial beschleunigendes Pumpenlaufrad aufweisen, wobei die Pumpenkammer in einen axial ausgerichteten Auslassstutzen mündet. Somit lässt sich der erfindungsgemäße Pumpenaufbau mit den vorstehend genannten Vorteilen als eine Axialpumpe realisieren.
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Entsprechend einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Kühlmittelpumpe ist die Motorkammer auf der der Einlasskammer zugewandten Seite durch einen Deckel mit einer sphärisch ausgebildeten Oberfläche abgeschlossen, in dem ein geöffneter Einlassbereich und eine zur Motorkammer innenliegende Aufnahme des axialen Endes des Spaltrohrs ausgebildet ist. Durch den Deckel wird bei der Montage der Kühlmittelpumpe ein Einsetzen der Bauteile des Pumpenmotors in die Motorkammer in axialer Richtung ermöglicht. Die sphärische Form stellt eine günstige Strömungseigenschaft bei der radialen Aufteilung des Mantelstroms und des Bypass-Stroms an der Motorkammer her.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Kühlmittelpumpe ist die Motorwelle an der Motorkammer gelagert, wobei eine Aufnahme für ein Wellenlager in dem Deckel ausgebildet ist und eine Aufnahme für ein Wellenlager an dem axial gegenüberliegenden Endabschnitt der Motorkammer ausgebildet ist, an dem die Motorwelle aus der Motorkammer austritt. Durch diese Anordnung kann, im Vergleich zu einer Lageraufnahme an dem Spaltrohr, eine gute Strömungseigenschaft des Bypass-Stroms durch das Spaltrohr hindurch hergestellt werden. Ferner kann für die Anordnung der beiden Wellenlager ein maximaler axialer Abstand über die Erstreckung der Motorkammer genutzt werden, sodass ein Abstand zwischen dem Pumpenlaufrad am freien Ende der Motorwelle und dem nächstliegenden Wellenlager sowie eine dynamische Belastung an selbigen minimiert wird.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Kühlmittelpumpe überdeckt die Motorkammer ein axiales Ende des Spaltrohrs im Einlassbereich, und ist innerhalb des Radius des Spaltrohrs über Filterbohrungen oder durch ein Filterelement geöffnet, durch die der Bypass-Strom in das Spaltrohr einströmt. Dadurch können Fremdkörper aus dem Bypass-Strom ferngehalten und eine Ablagerung derselben an den Wellenlagern verhindert werden. Ferner wird der Rotor, der sich zeitweise mit hoher Geschwindigkeit in dem Bypass-Strom bewegt, vor einem Kontakt mit Fremdkörpern geschont. Im Falle der Filterbohrungen kann die zur Durchströmung zulässige Partikelgröße genau bestimmt werden.
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Einer hierzu bevorzugten Ausführungsform der Kühlmittelpumpe zufolge verlaufen die Filterbohrungen konisch, mit einem in Strömungsrichtung zunehmenden Durchmesser, bevorzugt mit einem Durchmesser von 0,05 mm bis 0,3 mm, besonders bevorzugt von 0,1 mm bis 0,15 mm. Bei einer Partikelgröße von weniger als 0,1 mm kann eine schadhafte Wirkung der Fremdkörper auf die rotierenden Bauteile des Pumpenmotors ausgeschlossen werden. Durch die konisch verlaufende Kegelform der Filterbohrungen wird eine selbstreinigende Wirkung erzielt, die einem Verstopfen derselben entgegenwirkt. Zusätzlich begünstigt eine sphärische Form am Einlassbereich ein Abdriften von Fremdkörpern entlang der sphärischen Oberfläche in den Mantelstrom, wodurch eine Ablagerung und ein Zusetzen durch Fremdkörper mit kritischer Partikelgröße am Eingang der Filterbohrungen wirkungsvoll verhindert wird.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Kühlmittelpumpe überdeckt die Motorkammer ein axiales Ende des Spaltrohrs im Auslassbereich, und ist innerhalb des Radius des Spaltrohrs über konzentrisch zur Motorwelle angeordnete Auslassbohrungen geöffnet, durch die der Bypass-Strom in den Strömungskanal des Mantelstroms ausströmt. Durch einen Strömungsquerschnitt, der sich aus Anzahl und Durchmesser der Auslassbohrungen ergibt, kann im Verhältnis zum Strömungsquerschnitt der Filterbohrungen bzw. des Filterelements eine Druckdifferenz im Spaltrohr eingestellt werden. Ferner kann durch den gesamten Strömungsquerschnitt durch die Filterbohrungen bzw. das Filterelement und die Auslassbohrungen ein Verhältnis des Volumenstroms zwischen Mantelstrom und Bypass-Strom eingestellt werden.
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In einer diesbezüglich besonders bevorzugten Ausführungsform der Kühlmittelpumpe weisen die Volumenströme von Mantelstrom und Bypass-Strom ein Verhältnis
- a) bevorzugt von etwa 90% zu 10% bis 95% zu 5%,
- b) besonders bevorzugt von etwa 93% zu 7% bis 97% zu 3%,
- c) ganz besonders bevorzugt von etwa 95% zu 5%,
des gesamten geförderten Kühlmittelstroms auf. Bei diesem ermittelten Volumenstromverhältnis zeichnet sich die erfindungsgemäße Bauform der Kühlmittelpumpe durch ein besonders vorteilhaftes Verhältnis zwischen einer effektiven Wärmeabfuhr des Bypass-Stroms und zugleich niedrigen Planschverlusten des Rotors im Bypass-Strom aus.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Kühlmittelpumpe weisen die Wellenlager der Lagerung der Motorwelle einen Lagerspalt auf, so dass ein Teil des Kühlmittels, der die Motorkammer innerhalb des Radius des Spaltrohrs durchströmt, durch den Lagerspalt der Wellenlager fließt. Dem Kühlmittel sind Additive wie z. B. Glycerin oder dergleichen beigefügt. Diese Zusätze können gleichzeitig auch für die Schmierung von entsprechend geeigneten Wellenlagern genutzt werden. In Kombination mit der zuvor beschriebenen Filterung zur Abhaltung von Verunreinigungen, kann die Schmierfähigkeit des Bypass-Stroms an der Lagerung der Welle sichergestellt werden und eine Beeinträchtigung niedriger Reibungswerte durch Ablagerungen an selbiger unterdrückt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Kühlmittelpumpe sind, im senkrechten Querschnitt zur axialen Richtung, zwischen dem Pumpengehäuse und der Motorkammer mehrere radial verlaufende Haltestege, oder sich auch in axialer Richtung erstreckende Finnen, angeordnet, und der Strömungskanal des Mantelstroms ist in mehrere um die Motorkammer herum angeordnete bogenförmige Segmente unterteilt. Dieser Aufbau ermöglicht die Ausgestaltung mit mehreren, vorzugsweise symmetrisch angeordneten, Haltestegen zwischen Pumpengehäuse und Motorkammer, in denen auch die elektrische Zuleitung des Pumpenmotors geführt ist. Dadurch wird eine verwindungssteife Konstruktion zur Integration der Motorkammer in dem Pumpengehäuse geschaffen.
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Einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Kühlmittelpumpe zufolge sind die elektronischen Bauteile, wie ein Steuergerät der Kühlmittelpumpe, im senkrechten Querschnitt zur axialen Richtung, benachbart zu dem Strömungskanal des Mantelstroms im Pumpengehäuse angeordnet. Hierdurch kann auch die außerhalb des Pumpengehäuses angeordnete Steuerungselektronik effektiv strömungsgekühlt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Kühlmittelpumpe ist eine Innenwand der Einlasskammer, in die der mindestens eine Einlassstutzen einmündet, sphärisch ausgebildet, und wird durch eine Glocke gebildet, die an dem einlassseitigen axialen Ende des Pumpengehäuses fixiert ist. Dadurch wird, insbesondere in Kombination mit der gegenüberliegenden sphärischen Oberfläche der Motorkammer, ein radial auswärts führender Strömungsquerschnitt mit einer günstigen Strömungseigenschaft des Mantelstroms um die Motorkammer geschaffen. Durch den Austausch des glockenförmigen Bauteils, kann die Kühlmittelpumpe einfach mit Einlasskammern in verschiedenen Varianten hinsichtlich der Anzahl und Ausrichtung von Einlassstutzen konfiguriert werden.
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Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Kühlmittelpumpe hierzu, weist die Kühlmittelpumpe lediglich einen Einlassstutzen auf, der in einem Winkel zu der Achse der Motorwelle in die sphärisch ausgebildete Innenwand der Einlasskammer einmündet. Durch den einen geneigten Saugstutzen nimmt die axiale Länge der Kühlmittelpumpe weiterhin ab. Die kompaktere Bauform und die Wahl des Winkels ermöglicht eine größere Gestaltungsfreiheit bei der Integration in einen Kühlmittelkreislauf eines Verbrennungsmotors, wie beispielsweise bei der Anordnung in beengten Platzverhältnissen im Motorraum eines Fahrzeugs.
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Ausführungsbeispiel
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Die vorstehend beschriebene Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand den Figuren der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
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1 eine perspektivische Ansicht einer beispielhaften Ausführungsform der Kühlmittelpumpe;
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2 eine Längsschnittansicht durch eine beispielhafte Ausführungsform der Kühlmittelpumpe;
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3 einen Querschnittansicht durch eine beispielhafte Ausführungsform der Kühlmittelpumpe;
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4 eine Längsschnittansicht durch eine beispielhafte Ausführungsform der Kühlmittelpumpe mit einem dargestellten Strömungsverlauf des Kühlmittels;
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Nachfolgend wird der Aufbau einer beispielhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kühlmittelpumpe 1 beschrieben.
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Die elektrische Kühlmittelpumpe 1 fördert das Kühlmittel, das in dem Kühlmittelkreislauf zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Wärmetauscher bzw. Kühler zirkuliert. Dazu saugt die Kühlmittelpumpe 1 das Kühlmittel vom Verbrennungsmotor über den Kühler an und stößt es wieder zurück an den Verbrennungsmotor aus. Somit wird das vom Kühler kommende, gekühlte Kühlmittel genutzt, um die Abwärme der Verlustleistung des Elektromotors aufzunehmen und diesen auf die zulässige Betriebstemperatur zu kühlen.
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Wie in der äußeren Darstellung der Kühlmittelpumpe 1 in 1 gezeigt ist, umfasst das Pumpengehäuse 10 in primärer Unterteilung eine Einlasskammer 11 mit einem oder mehreren Einlassstutzen 13 einerseits, eine Pumpenkammer 12 mit einem Auslassstutzen 14 andererseits, und einen dazwischen liegenden Innenraum.
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Die Schnittdarstellung in 2 zeigt, dass sich in dem Innenraum des Pumpengehäuses eine Motorkammer 20 befindet, in der ein elektrischer Pumpenmotor 40 mit einer Motorwelle 50 aufgenommen ist, über die ein Pumpenlaufrad 55 in der Pumpenkammer 12 angetrieben wird.
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Je nach Anwendung kann die Kühlmittelpumpe 1 einen, zwei oder mehrere Einlassstutzen 13 zur Förderung verschiedener Kreisläufe zu verschiedenen Wärmetauschern aufweisen. Bei der Anwendungen in einem Fahrzeug kann neben dem Kühlmittelkreislauf des Verbrennungsmotors beispielsweise ein weiterer Kreislauf für einen separaten Wärmetauscher eines Heizgebläses für den Fahrgastraum oder dergleichen betrieben werden. Bei der in 2 abgebildeten Ausführungsform ist der vom Kühler des Verbrennungsmotors kommende Kühlmittelkreislauf mit dem größeren Volumenstrom an dem axial ausgerichteten Einlassstutzen 13 angeschlossen, und der Kreislauf mit geringerem Volumenstrom an einem Einlassstutzen 13, der sich abweichend von der axialen Richtung erstreckt. Die Einlasskammer 11 der dargestellten Ausführungsform weist eine sphärische Innenwand auf, die für beliebige Ausrichtungswinkel und/oder mehrere Einlassstutzen 13 einen günstigen Strömungsweg beim Eintritt in das Pumpengehäuse 10 bereitstellt. Bei der dargestellten Ausführungsform wird die Einlasskammer 11 durch eine gewölbte Glocke 15 gebildet, die an dem einlassseitigen axialen Ende des Pumpengehäuses fixiert ist.
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Wie in 3 gezeigt ist, weißt die Motorkammer 20, im Querschnitt zur axialen Richtung betrachtet, eine zylindrische Gestalt auf und ist mittig bzw. konzentrisch in einem Innenraum des Pumpengehäuses mit zylindrischen Querschnitt angeordnet. Dabei nimmt die Motorkammer 20 einen Großteil des Innenraums des Pumpengehäuses ein, sodass im Querschnitt nur ein ringförmiger Spalt zwischen der Motorkammer 20 und dem Pumpengehäuse 10 als Freiraum verbleibt. In axialer Richtung betrachtet, folgt die äußere Kontur der Motorkammer 20 der inneren Kontur des Pumpengehäuses, sodass innerhalb des im Querschnitt ringförmigen Spalts über eine axiale Erstreckung der Motorkammer 20 und des Pumpengehäuses hinweg ein mantelförmiger Strömungskanal 30 zwischen diesen beiden gebildet wird.
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Die Motorkammer 20 wird durch Haltestege 21 bzw. Finnen, die in radialer Richtung zwischen Motorkammer 20 und Pumpengehäuse 10 verlaufen, und sich in axialer Richtung der Motorkammer 20 erstrecken, mittig in dem Pumpengehäuse 10 gehalten. Die vier radialen Haltestege 21, die in 3 gezeigt sind, teilen den ringförmigen Mantelstrom in vier Strömungskanäle mit einem bogensegmentförmigen Strömungsquerschnitt auf.
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Die Steuerungselektronik 43 der Kühlmittelpumpe 1 ist in einem äußeren Bereich des Pumpengehäuses nahe zu der äußeren Kontur des mantelförmigen Strömungskanals 30 angeordnet. Ein Haltesteg 21 nimmt die elektrischen Zuleitungen 42 von der Steuerungselektronik 43 zu dem Pumpenmotor 40 in sich auf und führt diese radial durch den mantelförmigen Strömungskanal 30 hindurch in die Motorkammer 20.
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In der Motorkammer 20 ist der Pumpenmotor 40 mit der Motorwelle 50 koaxial zu der vorstehend im Querschnitt zur axialen Richtung beschriebenen zylindrischen Struktur der Motorkammer 20 angeordnet. Der radial außenliegende Stator 41 des Pumpenmotors 40 ist in einem ringförmigen Raum der Motorkammer 20 eingeschlossen, der nach außen durch die Wand der Motorkammer 20 gebildet wird, und nach innen durch ein Spaltrohr 60 abgeschlossen ist, das sich koaxial zur Motorwelle 50 durch die Motorkammer 20 hindurch erstreckt. Der ringförmige Raum, der die Verdrahtung des Pumpenmotors 40, insbesondere die Spulen des Stators 41, umfasst, nimmt die Zuleitungen 42 von der Steuerungselektronik 43 aus dem Haltesteg 21 auf und ist durch das nicht rotierende Spaltrohr 60 gegenüber dem Kühlmittel dicht verschlossen.
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Der radial innenliegende Rotor 45 des Pumpenmotors 40 ist gemeinsam mit der Motorwelle 50 konzentrisch in dem zylindrischen Raum innerhalb des Spaltrohrs 60 angeordnet. Das Spaltrohr 60 weist in der dargestellten Ausführungsform in einem axialen Bereich zur Aufnahme des Rotors 45 einen vergrößerten Querschnitt auf. Das Spaltrohr 60 bildet einen konzentrischen Strömungskanal 30, der koaxial zu der Motorwelle 50 und dem mantelförmigen Strömungskanal 30 verläuft.
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Die Motorwelle 50 erstreckt sich von dem einlassseitigen axialen Ende der Motorkammer 20 durch das Spaltrohr 60 hindurch, tritt an dem axial gegenüberliegenden Ende der Motorkammer 20 aus und reicht bis in die Pumpenkammer 12 hinein, in der das Pumpenlaufrad 55 auf dem Umfang der Motorwelle 50 drehfest angeordnet ist. An der Motorkammer 20 sind im Bereich der axialen Enden des Spaltrohrs 60, innerhalb des Radius desselben, Wellenlager 51, 52 zur drehbaren Lagerung der Motorwelle 50 vorgesehen. Die Wellenlager 51, 52 weisen einen Lagerspalt auf, der vom Kühlmittel durchströmt werden kann, und dabei durch Zusätze wie Glycerin oder dergleichen im Kühlmittel geschmiert wird.
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Auf der zur Einlasskammer 11 zugewandten Seite weist die Motorkammer 20 eine sphärische Oberfläche auf, die eine strömungsgünstige Zuführung des anströmenden Kühlmittels in den Mantelstrom bereitstellt. Die sphärische Oberfläche wird in der in 2 dargestellten Ausführungsform durch einen gewölbten Deckel 22 gebildet, der die Motorkammer 20 nach außen abschließt. Der Deckel 22 weist zudem mittig einen Einlassbereich mit Filterbohrungen 26 auf, durch die Kühlmittel in das Spaltrohr 60 eintreten kann. Zudem weist der Deckel 22 eine zum äußeren ringförmigen Raum der Motorkammer 20 dicht abschließende Aufnahme für das axiale Ende des Spaltrohrs 60, sowie eine Aufnahme für ein Wellenlager 51 der Motorwelle 50 auf. Die Filterbohrungen 26 weisen einen von der Außenseite zur Innenseite des Deckels 22 konisch zunehmenden Durchmesser von 0,1 mm auf 0,15 mm auf.
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Auf der zur Pumpenkammer 12 zugewandten Seite der Motorkammer 20 verjüngt sich in axialer Richtung zur Pumpenkammer 12 sowohl der zylindrische Querschnitt von der inneren Kontur des Pumpengehäuses als auch von der äußeren Kontur der Motorkammer 20 gleichermaßen, so dass sich auch der dazwischen verlaufende mantelförmige Strömungskanal 30 im Austrittsbereich der Motorwelle 50 aus der Motorkammer 20 bis nahe an den Radius der Motorwelle 50 radial einwärts verjüngt. Im Austrittsbereich der Motorwelle 50 ist eine weitere Aufnahme für ein Wellenlager 52 vorgesehen. Am axialen Ende des Spaltrohrs 60 ist innerhalb des Radius desselben ein Auslassbereich der Motorkammer 20 ausgebildet, in dem konzentrisch zur Motorwelle 50 verteilte Auslassbohrungen 23 angeordnet sind, durch die das Kühlmittel, das im Einlassbereich der Motorkammer 20 in das Spaltrohr 60 eingetreten ist, wieder austreten kann. Dabei führen die Auslassbohrungen 23 direkt in den verjüngten Bereich des mantelförmigen Strömungskanal 30.
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Der verjüngte mantelförmige Strömungskanal 30 führt das Kühlmittel axial nahe entlang der Motorwelle 50 zu dem Pumpenlaufrad 55, das einen Eintritt in die Pumpenkammer 12 abgrenzt. Die Pumpenkammer 12 und ein Abschnitt des Pumpengehäuses, der die äußere Kontur des radial einwärts verjüngenden Abschnitts des mantelförmigen Strömungskanals 30 bildet, sind als ein Bauteil einteilig ausgebildet, das in das axiale Ende des Pumpengehäuses eingesetzt und fixiert wird. In den 2 und 4 ist die Kühlmittelpumpe 1 als Halbaxialpumpe ausgeführt und weist ein radiales Pumpenlaufrad 55 und eine Pumpenkammer 12 mit einem Spiralgehäuse 16 und einem tangentialen Auslassstutzen 14 auf.
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Nachfolgend wird eine Funktionsweise der vorstehend beschriebenen beispielhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kühlmittelpumpe 1 mit Bezug auf 4 beschrieben.
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Das von der Kühlmittelpumpe 1 aus dem Kühler und ggf. anderen Wärmetauschern angesaugte Kühlmittel strömt durch die Einlassstutzen 13 in die Einlasskammer 11 des Pumpengehäuses. Das aus dem einen oder mehreren Kühlmittelkreisläufen angesaugte Kühlmittel, das in die Einlasskammer 11 eingetreten ist, strömt anschließend auf die Motorkammer 20 zu und wird an dem sphärischen geformten Deckel 22 der Motorkammer 20 konzentrisch in zwei Kühlmittelströme aufgeteilt. Dabei strömt ein großer Teil des Kühlmittels, im vorliegenden Beispiel 95%, an der Oberfläche des Deckels 22 entlang radial nach außen in den mantelförmigen Strömungskanal 30 und bildet einen Mantelstrom im Pumpengehäuse 10 aus. Ein kleiner Teil des Kühlmittels, im vorliegenden Beispiel 5%, strömt durch die Filterbohrungen 26 am Einlassbereich des Deckels 22 und wird dabei als Bypass-Strom in das Spaltrohr 60 der Motorkammer 20 abgezweigt.
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Der Mantelstrom umgibt die Motorkammer 20, wobei ein Temperaturaustausch zwischen dem vorbeiströmenden Kühlmittel und der Außenfläche der Motorkammer 20 erfolgt. Insofern die Motorkammer 20 durch die Abwärme der Verlustleistung des Pumpenmotors 40 eine höhere Temperatur als das Kühlmittel aufweist, wird die Abwärme durch den Volumenstrom des Kühlmittels abgeführt. Der Mantelstrom kann in gleicher Weise an der gegenüberliegenden Oberfläche des Pumpengehäuses eine Abwärme der Steuerungselektronik 43 aufnehmen, die nahe an dem äußeren Umfangs des mantelförmigen Strömungskanals 30 in dem Pumpengehäuses angeordnet ist. Der Mantelstrom wird gegen Ende der axialen Umströmung der Motorkammer 20 in dem verjüngenden Abschnitt des mantelförmigen Kanals radial einwärts nahe der Motorwelle 50 geführt.
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Der abgezweigte Bypass-Strom strömt nach dem Passieren der Filterbohrungen 26 teilweise durch einen Ringspalt, der zwischen der Innenfläche des Spaltrohrs 60 und der vom Deckel 22 innerhalb des Spaltrohrs 60 verlaufenden Lageraufnahme des Wellenlagers 51 verläuft, und teilweise durch den Lagerspalt des Wellenlagers 51. Anschließend strömt der Bypass-Strom in den Abschnitt mit vergrößertem Durchmesser des Spaltrohrs 60, in dem der Rotor 45 aufgenommen ist, und passiert einen Ringspalt zwischen der Innenfläche des Spaltrohrs 60 und dem äußeren Umfang des Rotors 45. Dabei findet wiederum, wie obenstehend beschrieben, ein Temperaturaustausch zwischen den Oberflächen des Rotors 45 und des Spaltrohrs 60 mit dem Kühlmittel statt. Durch den rotierenden Rotor 45 kommt es zu einer Verwirbelung des Bypass-Stroms bzw. zu einer turbulenten Strömung, sodass, wenn die Abwärme des Pumpenmotors 40 die Kühlmitteltemperatur übersteigt, trotz geringerem Volumenstrom im Vergleich zum Mantelstrom, eine effektive Wärmeabfuhr innerhalb der Motorkammer 20 bei dennoch geringen Planschverlusten des Rotors 45 erzielt wird. Am axialen Ende des Spaltrohrs 60 strömt der Bypass-Strom teilweise durch die Auslassbohrungen 23 am Auslassbereich der Motorkammer 20 und teilweise durch den Lagerspalt des im Austrittsbereich der Welle aufgenommenen Wellenlagers 52 aus der Motorkammer 20 aus und gelangt in den verjüngten Abschnitt des Mantelstroms.
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Der angesaugte wiedervereinte Kühlmittelstrom strömt anschließend das Pumpenlaufrad 55 in der Pumpenkammer 12 axial an und wird durch radial beschleunigende Flügel im Pumpenlaufrad 55 umgewälzt. Das beschleunigte Kühlmittel verlässt das Pumpenlaufrad 55 radial nach außen, strömt in ein tangential ausleitendes Spiralgehäuse 16 der Pumpenkammer 12, und verlässt die Kühlmittelpumpe 1 durch den Auslassstutzen 14.
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Weitere Ausführungsformen und Modifikationen
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In einer nicht dargestellten Ausführungsform der Kühlmittelpumpe 1 schließt sich an das Pumpengehäuse 10 einerseits eine Glocke 15 der Einlasskammer 11 mit einem einzigen abgewinkelt austretenden Ansaugstutzen, und andererseits eine radial wirkende Pumpenkammer 12 an. Diese Ausführungsform weist somit eine besonders kurze axiale Abmessung auf.
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In einer nicht dargestellten Ausführungsform der Kühlmittelpumpe 1 kann sich jedoch anstelle der radial wirkenden Pumpenkammer 12 ebenso eine axial wirkende Pumpenkammer 12 mit einer im Wesentlichen zylindrischen Gestalt an das Pumpengehäuse 10 anschließen, in der ein axiales Pumpenlaufrad 55 bzw. ein Impeller angeordnet ist, und das Kühlmittel nach dem Umwälzen durch einen axial verlaufenden Auslassstutzen 14 ausgestoßen wird.
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Ferner kann in einer Modifikation der beschriebenen Ausführungsform der Kühlmittelpumpe 1 lediglich ein Haltesteg 21 als Verbindung zwischen der Motorkammer 20 und dem Pumpengehäuse 10 vorgesehen werden, der die Motorkammer 20 innerhalb des Pumpengehäuses in Position hält und die Zuleitungen 42 zu dem Pumpenmotor 40 in sich führt, so dass der Mantelstrom im Querschnitt als einteiliger bzw. einfach geschlitzter Ringspalt zwischen der Motorkammer 20 und dem Pumpengehäuse 10 ausbildet ist. Ebenso kann eine beliebige Anzahl von Haltestegen 21 zwischen der Motorkammer 20 und dem Pumpengehäuse 10 ausgebildet sein. Darüber hinaus können die Haltestege 21 in einer anderen Ausrichtung als einem radialen Verlauf ausgestaltet sein und/oder sich über die gesamte Länge der Motorkammer 20 oder lediglich über einen Teil davon erstrecken.
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In einer weiteren Modifikation der beschriebenen Ausführungsform der Kühlmittelpumpe 1 kann anstelle der Filterbohrungen 26 ein geeignetes Filterelement innerhalb des Radius des Spaltrohrs 60 in den Deckel 22 der Motorkammer 20 eingesetzt sein. Ferner kann die Motorkammer 20 auch über den gesamten Radius des Spaltrohrs 60 geöffnet sein und keine Filterung des Bypass-Stroms aufweisen.
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Insbesondere in diesem Fall, können sich die Wellenlager 51, 52 der Motorwelle 50 anstatt gegen die Motorkammer 20 gegen das Spaltrohr 60 abstützen. Dabei kann ein ausreichender Strömungsquerschnitt zwischen dem äußeren Durchmesser des Wellenlagers 51, 52 und dem Innendurchmesser des Spaltrohrs 60 beispielsweise durch eine radial verstrebte Lageraufnahme im Spaltrohr 60 vorgesehen sein.
