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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
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Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Prioritätsrechte aus der US-Patentanmeldung 62/024,492, eingereicht am 15. Juli 2014.
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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft Kühlmittelpumpen für Fahrzeuge und insbesondere verbesserte Kühlmittelpumpen mit Wärmeschutz.
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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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Kühlmittelpumpen für zirkulierende Kühlfluide in Fahrzeugen und anderen Kühlsystemen werden heutzutage ständig eingesetzt. Es gibt diverse Typen von Kühlmittelpumpen, von denen die meisten in variierenden Graden von Zufriedenheit arbeiten.
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Einige Kühlmittelpumpen enthalten elektrische Systeme und/oder elektromagnetische Komponenten und Systeme und enthalten somit wärmeempfindliche elektronische Komponenten, wie z.B. Leiterplatten. Dies trifft insbesondere auf Zweifach-Modus-Kühlmittelpumpen zu, die sowohl Elektromotoren als auch elektromagnetische Mechanismen enthalten können. Falls die elektrischen und elektronischen Komponenten und Systeme nicht innerhalb konventioneller Betriebstemperaturen gehalten werden, können die Kühlmittelpumpen unwirksam werden oder ausfallen.
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Somit besteht ein Bedarf, Kühlmittelpumpen mit verbesserten Verfahren zum Schützen von elektrischen oder elektronischen Komponenten und Systemen vor übermäßiger Wärme vorzusehen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Kühlmittelpumpe vorzusehen, die diesen Bedarf erfüllt und Nutzen und Vorteile gegenüber bekannten Kühlmittelpumpen liefert.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine Zweifach-Modus-Kühlmittelpumpe vorgesehen, die selektiv ein Laufrad in einem Kühlfluidgehäuse dreht. Die Zweifach-Modus-Kühlmittelpumpe ist mit Gehäusen versehen, in denen ein Elektromotor-Antriebsmechanismus und ein mechanischer Antriebsmechanismus zum Drehen des Laufrads positioniert sind. Das Kühlfluidgehäuse ist am Fahrzeugmotor befestigt und weist einen Einlassanschluss zur Aufnahme von Kühlfluid und einen Auslassanschluss zum Übertragen des Kühlfluids in den Motorblock auf.
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Der Elektromotor, der bevorzugt ein bürstenloser Gleichspannungsmotor ist, und der elektromagnetische Kupplungsmechanismus für den mechanischen Antriebsmechanismus sind beide elektrisch betrieben. Eine Leiterplatte ("CB") befindet sich im Kühlmittelpumpengehäuse benachbart zum Kühlfluidgehäuse und enthält elektronische Komponenten zum Betreiben des Elektromotors und des elektromagnetischen Kupplungsmechanismus. Leistung wird von den elektrischen Systemen des Fahrzeugs zugeführt, einschließlich einer elektronischen Steuereinheit ("ECU"). Falls keine elektrische Leistung vorhanden ist, kann der Elektromotor über die Fahrzeugbatterie betrieben werden.
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Ein Lückenfüllelement ist im Pumpengehäuse benachbart zu und in Kontakt mit der Leiterplatte positioniert. Das Lückenfüllelement wirkt als Wärmesenke und überträgt Wärme von der Leiterplatte und ihren Komponenten über das Pumpengehäuse und in das Kühlfluid. Da typischerweise das Kühlfluid sich auf einer Temperatur befindet, die niedriger als die Temperaturen der Leiterplatten-Komponenten ist, schützt diese Ausführungsform der Erfindung die wärmeempfindlichen elektronischen Komponenten, indem sie innerhalb ihrer akzeptablen Temperaturgrenzen gehalten werden.
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Weitere Ausführungsformen der Erfindung ebenso wie zusätzliche Merkmale und Vorteile der Erfindung werden weiter unten in der folgenden ausführlichen Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen, zusammen mit den angehängten Ansprüchen offenbart.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung.
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2 ist eine Explosionsdarstellung der Ausführungsform von 1.
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3 ist eine Querschnittsansicht der in 1 gezeigten Kühlmittelpumpe.
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4 zeigt schematisch ein Kühlsystem und ein zugehöriges Steuersystem in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung 10 ist in 1 gezeigt, und eine Explosionsdarstellung ist in 2 dargestellt. Die Ausführungsform weist eine Zweifach-Modus-Kühlmittelpumpe 20 und ein Laufradgehäuse 30 auf. Das Laufradgehäuse 30 ist ausgebildet, mit einem Fahrzeugmotorblock 40 verbunden zu sein oder mindestens in Fluidverbindung mit diesem zu stehen.
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Die Kühlmittelpumpe 20 weist ein Motorgehäuse 22, einen Elektromotor 24, ein Solenoidgehäuse 26, einen Reibungskupplungs-Mechanismus 33 (in 3 besser gezeigt) und ein Rollenelement 29 auf. Das Rollenelement 29 ist ausgebildet, durch einen Motorriemen gedreht zu werden. Ein Motorriemen für diesen Zweck ist in 4 gezeigt und mit der Bezugsziffer 31 versehen. Der Motorriemen ist auch an einem Rollenelement 32 befestigt, das am Fahrzeugmotorblock 40 positioniert ist. Das Rollenelement 29 wird vom Motor mit einer Drehzahl ("Eingangsdrehzahl") gedreht, die durch ein Rollenverhältnis bestimmt ist.
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Die Kühlmittelpumpe 20 ist in 3 im Querschnitt gezeigt. Eine bevorzugte Zweifach-Modus-Kühlmittelpumpe, die bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, ist in der in US-Patentanmeldung Nr. 14/149,683, eingereicht am 7. Januar 2014 mit dem Titel "Accessory Drive With Friction Clutch And Electric Motor" offenbart und ausführlich erläutert, deren Offenbarung hiermit als Referenz hierin aufgenommen ist.
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Ein Elektromotor 24 ist im Motorgehäuse 22 positioniert. Das Motorgehäuse ist bevorzugt aus einem metallischen Material mit guter Wärmeleitfähigkeit hergestellt, wie z.B. Aluminium. Der Elektromotor ist bevorzugt ein bürstenloser Gleichspannungsmotor und weist ein spulenartiges Statorelement 25 und ein Rotorelement 27 auf. Das Rotorelement ist fest am zentralen Wellenelement 28 der Pumpe angebracht.
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Ein Solenoidelement 34 ist im Solenoidgehäuse 26 positioniert. Das Solenoidgehäuse ist bevorzugt aus einem metallischen Material hergestellt, wie z.B. Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt.
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Die Elektronik für den Elektromotor 24 und das Solenoidelement 34 ist auf der Leiterplatte ("CB") 50 angeordnet. Die Leiterplatte enthält die elektronischen Komponenten, die den Betrieb des Elektromotors und des Solenoidelements elektrisch steuern, einschließlich des Ein- und Ausschaltens. Von der Leiterplatte 50 wird Leistung über den Leadframe 52 an den Elektromotor 24 und über den Leadframe 57 an das Solenoidelement 34 zugeführt.
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Die elektrische Leistung für die Leiterplatte 50 wird über das Anschlusselement 60 zugeführt (gezeigt in den 1 und 2). Das Anschlusselement 60 weist mehrere Anschlussdrähte auf, die an die Leiterplatte angeschlossen sind. Von den Anschlussdrähten liefern zwei Drähte Leistung an die Leiterplatte, und mehrere weitere Drähte sind Signaldrähte für Signale zum Betreiben des Elektromotors und des Solenoidelements. Die Leiterplatte 50 ist durch mehrere Befestigungselemente, wie z.B. Schraubenelemente 53, mit dem Motorgehäuse 22 verbunden.
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Zwischen der Leiterplatte 50 und der Innenwand des Motorgehäuses ist ein Lückenfüllelement 55 angebracht. Das Füllelement leitet Wärme von der Leiterplatte in das Aluminium-Motorgehäuse 22 ab, wo die Wärme wiederum auf das Kühlfluid verteilt wird, das im Laufradgehäuse 30 zirkuliert.
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Die Lückenfüllelement 55 kann von einem konventionellen Typ zur Erzielung einer Wärmeübertragung zwischen einer "CB"-Wärmequelle und einer Wärmesenkenfläche sein. Lückenfüllelemente sind typisch weiche Materialien mit niedrigen Härtegraden und guter Wärmeleitfähigkeit. Die Lückenfüllelemente können dazu verwendet werden, die Lücken zwischen heißen Komponenten aufzufüllen. Die Materialien können flexibel von elastischer Natur sein und können unebene Flächen entweder einzeln oder in Schichten oder Gruppen abdecken. In der vorliegenden Erfindung wird die Wärme von der Leiterplatte 50 über das Lückenfüllelement 55 und in das Aluminium-Motorgehäuse 22 abgeführt, wo die Wärme in das kühlere Kühlfluid geleitet wird. Typischerweise hat in Fahrzeug-Kühlsystemen das Kühlfluid eine maximale Temperatur von etwa 129 °C, während die meisten Leiterplatten-Komponenten eine Nenntemperatur von 150 °C oder höher haben.
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Die Wand 72 des Motorgehäuses 22 steht dem Kühlfluid gegenüber und ist damit in Kontakt. Die Wand 72 weist mehrere Fluidvertiefungen oder -taschen 70 auf, die einzelne Vertiefungen oder ringförmige Nuten sein können. Einige der Vertiefungen 70 sind in 3 gezeigt. Jegliche Anzahl von Vertiefungen, Taschen oder Nuten kann vorgesehen sein. Diese Elemente 70 machen die Motorgehäusewand 72 an Punkten, Stellen oder Bereichen dünner, was beim Übertragen oder Leiten von Wärme von der Leiterplatte 50 und dem Lückenfüllelement 55 in das Kühlfluid unterstützend wirkt. Bevorzugt ist die Dicke der Motorgehäusewand in den Böden der Vertiefungen etwa fünf bis zwanzig Millimeter (5–20 mm). Dies ist durch den Abstand D in 3 dargestellt. Die Flächen an den Enden der Vertiefungen, Taschen, Nuten etc. sollten so dünn wie möglich sein, um beim Übertragen von Wärme von der Leiterplatte zu unterstützen, ohne jedoch die Integrität und Festigkeit der Motorgehäusewand 72 oder des Motorgehäuses selbst zu beeinträchtigen.
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Die Kühlmittelpumpenwelle 28 ist mittig in den Gehäusen 22 und 26 positioniert, wobei der Elektromotor 24 und der Reibungskupplungs-Mechanismus 33 in axialer Ausrichtung um die Welle 28 herum positioniert sind. Ein Laufradelement 80 ist mit der Laufradwelle 29 verbunden, die an einem Ende 28A der Kühlmittelpumpenwelle 28 verbunden ist. Das Laufradelement 80 und die Laufradwelle 29 stehen vom Motorgehäuse vor und erstrecken sich ins Innere des Laufradgehäuses 30.
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Die Laufradgehäuse 30 ist aus einem metallischen Material hergestellt, wie z.B. Aluminium, und weist einen zentralen Hohlraum 90, einen Einlassanschluss 92 zum Einlass von Kühlfluid und einen Auslassanschluss (nicht gezeigt) zum Durchgang des Kühlfluids in den Motorblock 40 auf. Wenn das Laufrad 80 von der Zweifach-Modus-Kühlmittelpumpe 20 gedreht wird, wird die Kühlflüssigkeit durch den Auslass in und durch den Motor und den Rest des Motorkühlsystems gepumpt und dann zum Einlassanschluss 92 der Kühlmittelpumpe zurückgeführt.
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In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung kann auch ein Kühlmittel-Steuerventil ("CCV") vorgesehen sein. Kühlmittel-Steuerventile steuern die Richtung und die Menge des Kühlmittelflusses, wenn es in den Motorblock eintritt.
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Wie weiter oben angegeben, ist der Rotor 27 des Elektromotors 24 fest an der Kühlmittelpumpenwelle 28 angebracht und dreht sich mit dieser. Wenn der Motor aktiviert wird, drehen sich die Wellen 28 und 29 ebenso wie das Laufradelement 80. Die Drehung des Laufradelements bewirkt, dass das Kühlfluid durch das Laufradgehäuse und den Rest des Kühlsystems fließt.
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Bevorzugt wird die Kühlmittelpumpenwelle 28 vom Elektromotor über den größten Teil der Zeit gedreht, in der eine Kühlmittelpumpe benötigt wird. Wenn ein zusätzlicher Fluss von Kühlmittel benötigt wird, wie z.B. wenn das Fahrzeug eine schwere Last zieht und mehr Kühlung notwendig ist, wird die Pumpenwelle 28 mechanisch mit der Eingangsdrehzahl gedreht. Zu diesem Zweck wird das Solenoidelement 34 deaktiviert, was erlaubt, dass das Ankerelement 110 sich axial von der Spule weg verschiebt. Dies erlaubt, dass das Reibbelagelement 112 auf der federbelasteten Reibplatte 114 in Kontakt mit dem Abdeckelement 116 kommt. Da das Abdeckelement 116 am Rollenelement 29 befestigt ist und sich mit diesem dreht, liefert dies eine Drehung der Kühlmittelpumpenwelle mit der Eingangsdrehzahl. Die Komponenten, einschließlich des Solenoidelements, des Ankerelements, der Reibplatte, der Reibbeläge und der Federelemente werden kollektiv als Reibungskupplungs-Mechanismus 33 bezeichnet.
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Im Normalbetrieb, wenn die Kühlmittelpumpenwelle und das Laufrad vom Elektromotor gedreht werden, ist das Solenoidelement 34 elektrisch aktiviert. Dadurch wird das Ankerelement 110 angezogen, das aus einem magnetischen metallischen Material besteht, was verhindert, dass die Reibplatte 114 gegen die Abdeckung gedrückt wird, wo die Reibbeläge 112 auf der Reibplatte 114 die Innenfläche des Abdeckelements kontaktieren und eine mechanische Drehung der Wellen 28 und 29 und des Laufrads 80 bewirken können.
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Die Kühlmittelpumpenwelle 28 ist im Gehäuse angebracht und kann über ein Paar von Lagerelementen 120 und 122 drehen. Der elektrische Rotor 27 ist auf der Welle 28 zwischen den beiden Lagerelementen 120, 122 positioniert.
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Das Rollenelement 29 ist in der Kühlmittelpumpe über das Lagerelement 124 angebracht und kann um den Reibungskupplungs-Mechanismus frei drehen. Das Ankerelement 110 ist in der Kühlmittelpumpe durch mehrere Schraubenfederelemente 130 vorgespannt. Weitere Einzelheiten über den Aufbau der Zweifach-Modus-Kühlmittelpumpe und ihren Betrieb sind in der US-Patentanmeldung Nr. 14/149,683 enthalten, deren Offenbarung hierin als Referenz aufgenommen ist.
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4 zeigt ein bevorzugtes System und einen bevorzugten Prozess zum Betreiben der Kühlmittelpumpe 20 und eines Fahrzeug-Kühlsystems 130 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Kühlmittelpumpe 20 ist eine Zweifach-Modus-Kühlmittelpumpe und weist einen Elektromotor 24 und einen Reibungskupplungs-Mechanismus 33 auf. Der Mechanismus 33 in Kombination mit einem Rollenelement 29 umfasst einen mechanischen Antrieb "M". Die Zweifach-Modus-Kühlmittelpumpe 20 dreht ein Laufradelement 80 in dem Laufradgehäuse 30.
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Der Betrieb der Kühlmittelpumpe 20 wird durch eine Steuerlogik 140 gesteuert, die geeignete Daten und Informationen von einer elektronischen Motorsteuereinheit ("ECU") 142 empfängt. Die Motorsteuerung 142 empfängt Daten und Informationen von einem oder mehreren Temperatursensoren 150, weiteren Motor- und Fahrzeugsensoren 152 ebenso wie Steueranweisungen und -signale von einer Fahrzeug-Motorsteuerung ("ECU") 160. Die Motorsteuerungen und die Steuerlogik steuern die Drehung der Kühlmittelpumpe 20 und des Laufrads, um die Temperatur des Kühlfluids innerhalb akzeptabler Grenzen zu halten.
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Kühlfluid von der Kühlmittelpumpe 20 fließt in und durch den Motor 40. Das Kühlfluid tritt dann aus dem Motor aus und fließt durch einen Wärmetauscher 184, wie z.B. einen Radiator, wo es abgekühlt wird. Die Temperatur des Kühlmittels kann von einem Thermostaten 190 abgelesen werden. Nach dem Fluss durch den Wärmetauscher wird das kühlere Kühlfluid dann zur Kühlmittelpumpe 20 zurückgeführt 186.
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Die vorliegende Erfindung liefert eine verbesserte Kühlmittelpumpe und ein verbessertes Motorkühlsystem, das nicht nur das Kühlfluid innerhalb geeigneter Temperaturgrenzen hält, sondern auch die Temperatur der Kühlmittelpumpen-Elektronik und der Leiterplatte innerhalb ihren zulässigen Temperaturgrenzen hält. Dies ergibt eine Kühlmittelpumpe und ein Kühlsystem, welches effizient, haltbar und langlebig ist. Wenn die Erfindung auch mit Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben worden ist, versteht es sich, dass sie darauf nicht beschränkt ist, da Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, die völlig innerhalb des Schutzbereichs dieser Erfindung liegen, wie sie durch die folgenden Ansprüche definiert wird.
