DE102015106671A1

DE102015106671A1 - Pumpe

Info

Publication number: DE102015106671A1
Application number: DE102015106671.8A
Authority: DE
Inventors: Thomas Geffert
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2015-04-29
Filing date: 2015-04-29
Publication date: 2016-11-03
Also published as: KR101827629B1; FR3035689A1; KR20160128920A; JP2016211561A; FR3035689B1; US20160319819A1; CN106089747B; US10316847B2; CN106089747A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Pumpe (1, 100) mit einem Pumpengehäuse (2) mit einer Ansaugöffnung (3) und mit einer Auslassöffnung (4), mit einem in dem Pumpengehäuse (2) angeordneten, antreibbaren Pumpenrad (5), mittels welchem ein Fluid von der Ansaugöffnung (3) hin zu der Auslassöffnung (4) förderbar ist, wobei in dem Pumpengehäuse (2) ein Ventilelement (10) vorgesehen ist, wobei das Ventilelement (10) von einem Aktuator (15, 115) einstellbar ist, um den von der Pumpe (1, 100) geförderten Fluidstrom einzustellen, wobei die Einstellung des Ventilelements (10) von einem magnetorheologischen Bremselement (17, 117) beeinflussbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Pumpe, wie insbesondere eine Wasserpumpe für einen Wasserkreislauf eines Kraftfahrzeugs.
Pumpen und insbesondere Wasserpumpen sind in Kraftfahrzeugen eingesetzt, um beispielsweise den Kühlmittelkreislauf mit einer Wasserströmung zu versorgen, um den Kraftfahrzeugmotor und gegebenenfalls auch andere Aggregate zu kühlen. Dabei strömt Wasser als Kühlmittel durch den Antriebsmotor und wird dort erwärmt. Anschließend strömt das Kühlmittel durch einen Kühlmittelkühler, wo es im Wärmetausch beispielsweise mit Luft wieder abgekühlt wird, bevor es von der Pumpe wieder zum Antriebsmotor gefördert wird.
Dabei ist die benötigte Pumpleistung der Pumpe allerdings nicht immer im maximalen Bereich, sondern kann je nach Betriebszustand des Kraftfahrzeugs auch reduziert sein. Dabei ist die Pumpleistung allerdings insbesondere vom Antrieb abhängig. Wird die Pumpe allerdings vom Antriebsmotor selbst angetrieben, so wird die Drehzahl der Pumpe von der Drehzahl des Antriebsmotors bestimmt, was jedoch nicht mit der benötigten Pumpleistung korrelieren muss.
Daher ist eine regelbare Pumpe grundsätzlich erwünscht. Sehr aufwändige Lösungen sind allerdings bei Kraftfahrzeuganwendungen eher ungeeignet, weil damit auch immer die Kosten steigen, was im Automobilbau oftmals nicht akzeptabel ist.
Die DE 10 2010 005 731 A1 offenbart eine Pumpe mit einem Förderorgan und einem stromabwärts davon angeordneten Ventilelement, das als Schieber oder Drehschieber ausgebildet ist. Die Steuerbarkeit ist über Stellmittel zwar gegeben, die Einstellung von Zwischenstellungen ist jedoch nicht mit jedem Stellmittel gut erreichbar.
Die WO 2013/120543 A1 offenbart eine Pumpe mit einem stromabwärts des Pumpenrads angeordneten Ventilelement, welches mittels einer Unterdruckdose zwischen zwei Endstellungen verstellbar ist. Dadurch wird jedoch keine gute Regelbarkeit erreicht, weil die Unterdruckdose üblicherweise nicht gut in Zwischenstellungen zu bringen und dort auch zu halten ist.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Pumpe zu schaffen, die einfach und kostengünstig aufgebaut ist und dennoch eine gute Regelbarkeit erlaubt.
Die Aufgabe wird mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft eine Pumpe mit einem Pumpengehäuse mit einer Ansaugöffnung und mit einer Auslassöffnung, mit einem in dem Pumpengehäuse angeordneten, antreibbaren Pumpenrad, mittels welchem ein Fluid von der Ansaugöffnung hin zu der Auslassöffnung förderbar ist, wobei in dem Pumpengehäuse ein Ventilelement vorgesehen ist, wobei das Ventilelement von einem Aktuator einstellbar ist, um den von der Pumpe geförderten Fluidstrom einzustellen, wobei die Einstellung des Ventilelements von einem magnetorheologischen Bremselement beeinflussbar ist. Dadurch ist das Ventilelement vorteilhaft durch das steuerbare Zusammenspiel von Aktuator und Bremselement in jeder Betriebsstellung sicher und auch für eine vorgebbare Zeitdauer einstellbar, selbst wenn der Aktuator nur eher kurzfristig oder instabil in Zwischenstellungen einstellbar ist.
Dabei ist es besonders zweckmäßig, wenn der Aktuator ein Druck- oder Unterdruckaktuator ist, mittels welchem das Ventilelement einstellbar ist. So kann der Aktuator ein hydraulischer oder pneumatischer Aktuator sein, welcher mit Druck oder mit Unterdruck beaufschlagt werden kann, um das Ventilelement verstellen bzw. einstellen zu können. Solche Aktuatoren können dabei zwischen zwei Endstellungen betätigbar sein, wobei Zwischenstellungen durchaus auch nur kurzzeitig einstellbar sein können.
Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn der Aktuator eine Unterdruckdose ist. Solche Unterdruckdosen sind einfach und kostengünstig herstellbar und werden daher gerne insbesondere im Automobilbau eingesetzt.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Ventilelement in dem Gehäuse verdrehbar angeordnet ist. Dadurch kann eine Art Drehschieber oder Drehventil gebildet werden, welcher bzw. welches bei einer Umdrehung von etwa 90° einfach den geförderten Fluidstrom von einem maximalen Fluidstrom zu einem minimalen Fluidstrom steuern kann. Dabei kann der maximale Fluidstrom der Fluidstrom sein, den die Pumpe maximal fördern kann und der minimale Fluidstrom kann beispielsweise auch ein Fluidstrom von null sein, wenn das Ventilelement den Fluidstrom vollständig unterbricht. Eine Zwischenstellung kann dann einem Fluidstrom zwischen dem maximalen Fluidstrom und dem minimalen Fluidstrom entsprechen.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Aktuator ein im Wesentlichen linear verstellbares Ausgangselement aufweist, welches über einen Betätigungsmechanismus auf das im Gehäuse verdrehbar angeordnete Ventilelement wirkt. Dadurch kann über einen einfach ausgebildeten Aktuator eine Drehbewegung des Ventilelements bewirkt werden. Dies reduziert auf der einen Seite die Kosten für den Aktuator, wenn dieser einfach ausgebildet ist und bewirkt auf der anderen Seite dennoch eine sichere Steuerung, weil die Einstellung des Ventilelements einfach vorgenommen werden kann.
Dabei ist es auch vorteilhaft, wenn der Betätigungsmechanismus ein Hebelmechanismus ist. Dadurch lässt sich der Aktuator einfach und sicher an das Ventilelement anlenken und dennoch kann eine sichere Anlenkung über die Betriebsdauer erreicht werden.
Auch ist es vorteilhaft, wenn das magnetorheologische Bremselement mit dem Ventilelement verbunden ist und auf dieses wirkt. Dadurch kann eine unmittelbare Wirkung des Bremselements auf das Ventilelement übertragen werden, was eine schnelle und unmittelbare Wirkung ohne externe Einflüsse bewirkt.
Auch ist es vorteilhaft, wenn das magnetorheologische Bremselement mit dem Betätigungsmechanismus verbunden ist und auf diesen wirkt. Dadurch kann das magnetorheologische Bremselement einfach in den Betätigungsmechanismus integriert werden, was Bauraumvorteile zeigen kann und bezüglich der Montage vereinfacht sein kann.
Auch ist es vorteilhaft, wenn das magnetorheologische Bremselement mit dem Aktuator, insbesondere mit dem Ausgangselement des Aktuators, verbunden ist und auf diesen wirkt. Auch dadurch kann eine gut montierbare Baueinheit geschaffen werden, die einfach und kostengünstig herstellbar sein kann.
Auch ist es vorteilhaft, wenn das Ventilelement im Gehäuse drehbar gelagert ist, wobei das magnetorheologische Bremselement an einer gegenüberliegenden Seite des Ventilelements an diesem angreift als der Aktuator. Dadurch kann eine gute Bauraumaufteilung erreicht werden, wenn die beiden an dem Ventilelement angreifenden Elemente an gegenüberliegenden Seiten an dem Gehäuse montiert sind.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung detailliert erläutert. In der Zeichnung zeigen:
1 eine schematische, perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Pumpe,
2 eine weitere Darstellung der Pumpe nach 1,
3 eine teilweise geschnittene Darstellung der Pumpe nach 1,
4 eine Schnittansicht der Pumpe nach 1,
5 eine Darstellung einer Pumpe nach Anspruch 1 mit einem vollständig geöffneten Ventilelement,
6 eine Darstellung einer Pumpe nach Anspruch 1 mit einem nur teilweise geöffneten Ventilelement,
7 eine Darstellung einer Pumpe nach Anspruch 1 mit einem vollständig geschlossenen Ventilelement,
8 eine schematische, perspektivische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Pumpe, und
9 eine Darstellung einer Unterdruckdose mit einem magnetorheologischen Bremselement als Aktuator zur Einstellung des Ventilelements der Pumpe nach 8.
Die 1 bis 4 zeigen in verschiedenen Darstellungen ein Ausführungsbeispiel einer Pumpe 1, wie insbesondere einer Kühlmittel- oder Wasserpumpe, insbesondere für ein Kraftfahrzeug.
Die Pumpe 1 weist dabei ein Pumpengehäuse 2 auf. Das Pumpengehäuse 2 weist dabei zumindest eine Ansaugöffnung 3 und zumindest eine Auslassöffnung 4 auf. Das Pumpengehäuse 1 kann alternativ auch mehr als eine Ansaugöffnung 3 und/oder mehr als eine Auslassöffnung 4 aufweisen. Im Ausführungsbeispiel der 1 bis 4 ist das Pumpengehäuse teilweise etwa rohrförmig ausgebildet, wobei die Auslassöffnung 4 als eine Rohröffnung in Längsrichtung des rohrförmigen Teils des Pumpengehäuses 2 ausgebildet ist. Die Ansaugöffnung 3 ist als Rohrstutzen ausgebildet, welcher sich etwa in radialer Richtung hin zu dem rohrförmigen Teil des Pumpengehäuses 2 erstreckt und mit diesem verbunden ist.
Innerhalb des Pumpengehäuses 2 ist ein Pumpenrad 5 angeordnet, welches in axialer Richtung von einer Druckstufe 6 und einem Dichtkörper 7 gefolgt ist. Das Pumpenrad 5 ist dabei vorteilhaft als Flügelrad ausgebildet. Das Pumpenrad 5 ist auf einer Welle 8 aufgenommen, welche im Pumpengehäuse 2 drehbar gelagert ist. Die Welle 8 ragt dabei in axialer Richtung aus dem Pumpengehäuse 2 heraus, wo die Welle 8 mit einer Riemenscheibe 9 verbunden ist. Die Riemenscheibe 9 steht dabei in einer Antriebsverbindung mit einem nicht dargestellten Riemen eines Riementriebs, so dass dadurch das Pumpenrad 5 im Pumpengehäuse 2 antreibbar ist.
Das Pumpenrad 5 dient dem Fördern eines Fluids, wie beispielsweise von Wasser oder einem Kühlmittel, von der Ansaugöffnung 3 hin zu der Auslassöffnung 4. Dabei hängt die Fördermenge der Pumpe 1 unter anderem von der Antriebsleistung bzw. der Antriebsdrehzahl ab, um das Pumpenrad anzutreiben.
Um die Fördermenge, also der gepumpte Fluidvolumenstrom, weiter regeln zu können, ist ein weiteres Ventilelement 10 vorgesehen. Dieses Ventilelement 10 ist stromabwärts des Pumpenrads 5 in dem rohrförmigen Teil des Pumpengehäuses 2 angeordnet. Das Ventilelement 10 ist als ein Drehschieber ausgebildet, der radial außen eine etwa kugelförmige Gestalt 11 hat, durch welche ein Durchgangskanal 12 gebildet ist. Das Ventilelement 10 ist mittels zweier Zapfen 13 in dem Gehäuse drehbar gelagert, so dass der Durchgangskanal 12 entweder freigegeben ist und der geförderte Volumenstrom maximal ist oder der Durchgangskanal 12 verschlossen ist und kein Volumenstrom gefördert wird. Auch sind Zwischenstellungen möglich, bei welchen der Volumenstrom variiert werden kann. Dabei ist das Ventilelement 10 dem Dichtkörper 7 nachfolgend angeordnet, welcher eine Abdichtung zwischen dem Pumpengehäuse 2 und dem Ventilelement 10 bewirkt, insbesondere wenn das Ventilelement 10 mit verschlossenem Durchgangskanal 12 eingestellt ist.
Über die beiden Zapfen 13 wird von außen Einfluss auf das Ventilelement 10 genommen. Über den einen Zapfen 13 kann über einen Hebel 14 die Verdrehung des Ventilelements 10 vorgenommen werden. Hierzu ist ein Aktuator 15 vorgesehen, welcher in dem Ausführungsbeispiel der 1 bis 4 als Unterdruckdose ausgebildet ist. Der Aktuator 15 weist dabei ein längs verschiebliches Ausgangselement 16, wie einen Stößel auf, der mit dem Hebel 14 verbunden ist, um das Ventilelement 10 zu verdrehen. Wird die Unterdruckdose mit Unterdruck versorgt, so verschiebt sich das Ausgangselement 16 und das Ventilelement 10 wird verstellt.
Alternativ kann der Aktuator 15 auch anderweitig ausgebildet sein, beispielsweise als Druck- oder Unterdruckaktuator, dabei also insbesondere als pneumatischer oder hydraulischer Aktuator.
Die Einstellung des Ventilelements 10 wird dabei also von dem Aktuator 15 vorgenommen.
An dem anderen zweiten Zapfen 13 ist ein Bremselement 17, wie insbesondere ein magnetorheologisches Bremselement 17, vorgesehen, mittels welchem die Bewegung des Ventilelements 10 beeinflusst werden kann. Dabei kann auch die Bewegung festgehalten werden, so dass das Ventilelement 10 einer Stellung blockiert werden kann.
Dabei weist das Bremselement 17 ein Gehäuse auf, in welchem ein magnetorheologisches Material aufgenommen ist. In dem Gehäuse ist auch ein kolbenartiges Element vorgesehen, das sich durch das magnetorheologische Material bewegt, wenn der Zapfen 13 sich bewegt. Wird nun ein definiertes Magnetfeld angelegt, so verketten sich die Elemente des magnetorheologischen Materials und die Viskosität des magnetorheologischen Materials steigt an. Dies führt zu einer Kraftwirkung auf das kolbenartige Element und die Bewegung des Ventilelements 10 erfährt eine Bremskraft. Dabei ist die Bremskraft abhängig von dem angelegten Magnetfeld. Dies kann zum Blockieren der Bewegung des Ventilelements 10 führen.
Das magnetorheologische Material kann dabei ein trockenes Pulver oder ein Fluid sein, in welchem magnetorheologische Elemente aufgenommen sind.
Die Stellung des Ventilelements 10 in dem Pumpengehäuse 2 wird somit im Zusammenwirken des Aktuators 15 mit dem Bremselement 17 gesteuert.
Die 1 bis 4 zeigen ein Ausführungsbeispiel mit einem Aktuator 15, welcher ein im Wesentlichen linear verstellbares Ausgangselement 16 aufweist, welches über einen Betätigungsmechanismus, den Hebel 14, auf das im Pumpengehäuse 2 verdrehbar angeordnete Ventilelement 10 wirkt. Alternativ können auch andere Betätigungsmechanismen vorgesehen sein.
Das magnetorheologische Bremselement 17 ist mit dem Ventilelement 10 unmittelbar verbunden und wirkt daher auch unmittelbar auf dieses.
Alternativ könnte das magnetorheologische Bremselement 17 auch mit dem Betätigungsmechanismus verbunden sein und auf diesen wirken, um die Stellung des Ventilelements steuern zu können.
Die 5 bis 7 zeigen die Pumpe 1 der 1 bis 4 in verschiedenen Betriebsstellungen. In 5 ist das Ventilelement 10 derart eingestellt, dass der Durchgangskanal 12 frei ist. Der förderbare Fluidvolumenstrom wird dadurch nicht beeinflusst bzw. reduziert.
In 6 ist das Ventilelement 10 derart eingestellt, dass der Durchgangskanal 12 nur anteilig freigegeben ist. Der förderbare Fluidvolumenstrom wird dadurch reduziert.
In 7 ist das Ventilelement 10 derart eingestellt, dass der Durchgangskanal 12 vollständig blockiert ist. Der förderbare Fluidvolumenstrom wird dadurch unterbrochen.
Die 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Pumpe 100, bei welcher das Bremselement 117 in den Aktuator 115 integriert ist. Die Pumpe 100 ist ansonsten zu der Pumpe 1 der 1 bis 4 gleich ausgebildet, so dass sich diesbezüglich eine Wiederholung erübrigt.
Die 9 zeigt den diesbezüglichen Aktuator 115.
Der Aktuator 115 weist ein Gehäuse 120 mit einer darin angeordneten Membran 121 auf, die einen Druckraum 122 zusammen mit dem Gehäuse 120 definiert, welcher über einen Anschluss 124 mit Druck oder Unterdruck beaufschlagbar ist.
Mit der Membran 121 ist ein Stößel 125 als Ausgangselement verbunden, so dass bei einer Druck- oder Unterdruckbeaufschlagung im Druckraum 122 der Stößel verlagert werden kann. Weiterhin ist im Druckraum 122 noch eine Feder 123 vorgesehen, mittels welcher der Stößel kraftbeaufschlagbar ist. Liegt kein Druck oder Unterdruck an, so beaufschlagt die Feder den Stößel in eine definierte Stellung, in eine so genannte Failsafe-Stellung.
Das Bremselement 117 ist an dem Aktuator 115 vorgesehen. Es weist ein Gehäuse 126 mit einer Kammer 127 auf, in welcher ein magnetorheologisches Material aufgenommen ist. In der Kammer 127 und mit dem Stößel 125 verbunden ist ein kolbenartiges Element vorgesehen, welches sich durch das magnetorheologische Material bewegt. Durch Anlegen eines Magnetfelds durch ein magnetfelderzeugendes Mittel 128 wird die Viskosität des magnetorheologischen Materials verändert, um die Stellung des Stößels 125 als Ausgangselement in Zusammenwirken mit der Druck- oder Unterdruckbeaufschlagung steuern zu können.
Bezugszeichenliste

1: Pumpe
2: Pumpengehäuse
3: Ansaugöffnung
4: Auslassöffnung
5: Pumpenrad
6: Druckstufe
7: Dichtkörper
8: Welle
9: Riemenscheibe
10: Ventilelement
11: kugelförmige Gestalt
12: Durchgangskanal
13: Zapfen
14: Hebel
15: Aktuator
16: Ausgangselement, Stößel
17: Bremselement
100: Pumpe
115: Aktuator
117: Bremselement
120: Gehäuse
121: Membran
122: Druckraum
123: Feder
124: Anschluss
125: Ausgangselement, Stößel
126: Gehäuse
127: Kammer
128: magnetfelderzeugendes Mittel

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 102010005731 A1 [0005]
WO 2013/120543 A1 [0006]

Claims

Pumpe (1, 100) mit einem Pumpengehäuse (2) mit einer Ansaugöffnung (3) und mit einer Auslassöffnung (4), mit einem in dem Pumpengehäuse (2) angeordneten, antreibbaren Pumpenrad (5), mittels welchem ein Fluid von der Ansaugöffnung (3) hin zu der Auslassöffnung (4) förderbar ist, wobei in dem Pumpengehäuse (2) ein Ventilelement (10) vorgesehen ist, wobei das Ventilelement (10) von einem Aktuator (15, 115) einstellbar ist, um den von der Pumpe (1, 100) geförderten Fluidstrom einzustellen, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellung des Ventilelements (10) von einem magnetorheologischen Bremselement (17, 117) beeinflussbar ist.
Pumpe (1, 100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (15, 115) ein Druck- oder Unterdruckaktuator ist, mittels welchem das Ventilelement (10) einstellbar ist.
Pumpe (1, 100) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (15, 115) eine Unterdruckdose ist.
Pumpe (1, 100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilelement (10) in dem Pumpengehäuse (2) verdrehbar angeordnet ist.
Pumpe (1, 100) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (15, 115) ein im Wesentlichen linear verstellbares Ausgangselement (16, 125) aufweist, welches über einen Betätigungsmechanismus (14), wie insbesondere einen Hebel, auf das im Pumpengehäuse (2) verdrehbar angeordnete Ventilelement (10) wirkt.
Pumpe (1, 100) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Betätigungsmechanismus ein Hebelmechanismus ist.
Pumpe (1, 100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetorheologische Bremselement (17) mit dem Ventilelement (10) verbunden ist und auf dieses wirkt.
Pumpe (1, 100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetorheologische Bremselement mit dem Betätigungsmechanismus verbunden ist und auf diesen wirkt.
Pumpe (1, 100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetorheologische Bremselement (117) mit dem Aktuator (115), insbesondere mit dem Ausgangselement des Aktuators, verbunden ist und auf diesen wirkt.
Pumpe (1, 100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilelement (10) im Pumpengehäuse (2) drehbar gelagert ist, wobei das magnetorheologische Bremselement (17) an einer gegenüberliegenden Seite des Ventilelements (10) an diesem angreift als der Aktuator (15).