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Die Erfindung betrifft eine Pumpe, insbesondere eine Kreiselpumpe, einen Kreislauf mit der Pumpe und schließlich ein Kraftfahrzeug mit dem Kreislauf. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Pumpe mit einem Rotor und einem Deckel, wobei eine Stirnfläche des Rotors und eine Deckelfläche des Deckels einen Druckaufbauraum begrenzen und ein Abstand zwischen der Stirnfläche und der Deckelfläche einstellbar ist.
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Pumpen, insbesondere in Kühlkreisläufen, sind selten effizient betreibbar. Ursächlich kann eine veränderliche Randbedingung, nämlich eine variable Fluidtemperatur sein: Kaltes Kühlwasser ist beispielsweise zähflüssiger als warmes Kühlwasser. Dies hat bei einer gegebenen Auslegungsdrehzahl einen zu niedrigen oder zu hohen Volumenstrom zur Folge, sodass ein hydraulischer Wirkungsgrad verschlechtert sein kann. Gefordert wird aber eine effiziente Pumpe beispielsweise zum Antreiben eines Kühlkreislaufs eines modernen Automobils.
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Die gattungsgemäße
WO 2016 / 179619 A1 beschreibt eine Kreiselpumpe mit einem Laufrad. Ein Laufraddeckkörper ist starr mit einer Antriebwelle verbunden. Ein Laufradhauptkörper mit Laufradschaufeln ist mittels einer Verstelleinrichtung axial verschiebbar. Der Laufraddeckkörper hat nutförmige, vorzugsweise geschlossene Taschen zur Aufnahme der Laufradschaufeln. Als Verstelleinrichtung werden ein Schraubgetriebe oder ein Schubgetriebe vorgeschlagen, jeweils vorzugsweise elektromagnetisch angetrieben.
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Aus dem Stand der Technik ist bekannt, ein Formgedächtniselement in eine Pumpe zu integrieren, um einen Fluidstrom zu regeln:
- Die DE 10 2018 107 892 A1 beschreibt eine Kühlmittelpumpe. Einer Kreiselpumpe nachgeschaltet sind zwei Auslässe. Zwischen den beiden Auslässen ist ein Torsionsstab aus einer Formgedächtnislegierung angeordnet. Ein Ende des Torsionsstabs ist fest gelagert. Das andere Ende des Torsionsstabs ist drehfest mit einem um den Torsionsstab schwenkbaren Leitelement verbunden. Je nach Temperatur verschwenkt der Torsionsstab das Leitelement zum Freigeben oder teilweisen oder vollständigen Versperren eines der beiden Auslässe. Zur Rückstellung ist eine Rückstellfeder vorgesehen.
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Die
DE 10 2015 000 805 B3 beschreibt eine regelbare Kühlmittelpumpe mit einem Flügelrad, das drehfest mit einer Antriebswelle verbunden ist. Ein Außenzylinder eines Regelschiebers ist angeordnet, um einen Ausströmbereich des Flügelrads variabel zu überdecken. Ein Formgedächtniselement umgibt die Antriebswelle und liegt einerseits an den Schieber und andererseits an ein festes Gehäuse an. Das Formgedächtniselement wird durch einen Bypass-Volumenstrom umspült. Nach Abschluss einer Kaltstartphase wirkt das Formgedächtniselement so auf den Schieber, dass der Ausströmbereich freigegeben wird. Zum Rückstellen ist eine Druckfeder angeordnet.
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Bekannt ist auch, ein Formgedächtniselement zum automatischen oder fremd-gesteuerten Ein- und Ausschalten zu verwenden:
- Die DE 10 2012 208 446 beschreibt ein Flügelrad mit einer drehbaren Nabe. In der Nabe sind zu der Nabe drehbar gelagert eine Welle ein mit der Welle drehgekoppelte Flügelrad. Ein Stellglied aus einer Formgedächtnislegierung ist an einem Ende mit der Nabe fest verbunden, mehrfach gewunden, und am anderen Ende mit der Welle fest verbunden. Wird das Stellglied von einem elektrischen Strom durchflossen, erwärmt sich das Stellglied, sodass sich eine Länge des Stellglieds ändert, sodass wegen der Windungen die Welle zur Nabe verdreht wird, sodass das Flügelrad zur Nabe verdreht wird. Nach einem Abkühlen bringt ein Rückstellelement das Stellglied und die Flügel in eine Ausgangslage zurück.
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Die
DE 197 52 372 A1 beschreibt eine regelbare Kreiselpumpe für einen Verbrennungsmotor. Ein Schaufelrad ist drehbar auf einer Welle gelagert. Ein Thermoelement, das ein Formgedächtniselement bzw. Memory-Metallelement ist, stützt sich drehfest an der Welle ab. Beim Erreichen einer Betriebstemperatur drückt eine Anpresskraft des Thermoelements gegen ein mit dem Schaufelrad drehfestes Reibelement mit der Folge, dass ein Antriebsdrehmoment auf das Schaufelrad übertragen wird.
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Schließlich ist bekannt, ein Formgedächtniselement zum Verändern einer Schaufelgeometrie einzusetzen.
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Der Beitrag „Computational Modeling of a Smart Impeller actuated by Shape Memory Alloys“, veröffentlicht in „Proceedings of the World Congress on Engineering 2016 Vol II, WCE 2016, June 29 - July 1, 2016, London, U.K.“ mit der ISBN 978-988-14048-0-0 schlägt eine selbstanpassende Kreiselpumpe vor. Diese umfasst eine Bodenscheibe und eine dazu parallele Deckscheibe mit zentralem Einlass. In beide Scheiben sind gespiegelt angeordnete Nuten eingebracht. In den Nuten werden Blätter aus einer Formgedächtnislegierung zwischen den Scheiben gehalten. Die Blätter dienen als Schaufeln der Pumpe. Je nach Temperatur ändert sich die Länge der Blätter, sodass die Blätter entlang der Nuten den Einlass vergrößern oder verkleinern.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Pumpe bereitzustellen, welche die oben genannten Nachteile wenigstens teilweise überwindet.
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Diese Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Pumpe nach Anspruch 1, sowie die Kreiselpumpe nach Anspruch 8, den Kreislauf nach Anspruch 9 und das Kraftfahrzeug nach Anspruch 10 gelöst.
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Die erfindungsgemäße Pumpe hat einem Rotor und einen Deckel, wobei eine Stirnfläche des Rotors und eine Deckelfläche des Deckels einen Druckaufbauraum begrenzen und ein Abstand zwischen der Stirnfläche und der Deckelfläche einstellbar ist. Ein Formgedächtniselement ist derart zwischen die Stirnfläche und die Deckelfläche geschaltet, dass der Abstand zwischen der Stirnfläche und der Deckelfläche durch einen Übergang zwischen zwei Formgedächtniszuständen des Formgedächtniselements änderbar ist.
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Die erfindungsgemäße Kreiselpumpe ist eine erfindungsgemäße Pumpe.
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Der erfindungsgemäße Kreislauf enthält eine erfindungsgemäße Pumpe.
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Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug enthält einen erfindungsgemäßen Kreislauf.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung.
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Eine erfindungsgemäße Pumpe enthält einen Rotor, einen Deckel und zumindest ein Formgedächtniselement.
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Der Rotor ist üblicherweise zum Rotieren um eine Rotationsachse antreibbar. Die Rotationsachse kann eine Hauptachse der Pumpe definieren. Im Zweifel sollen sich Angaben wie „axial“, „radial“, „Umfangsrichtung“, „koaxial“ und dergleichen auf die Rotationsachse des Rotors beziehen. Der Rotor hat eine Stirnfläche, welche einen Druckaufbauraum begrenzt. Die „Stirnfläche“ ist zumindest teilweise axial orientiert; bspw. enthält die Stirnfläche eine zu der Rotationsachse senkrechte Ebene, einen rotationssymmetrischer Kegel, eine rotationssymmetrisch konvex und/oder konkav gekrümmte Fläche und/oder eine periodisch, regel- und/oder unregelmäßig um die Rotationsachse verlaufende Fläche. Mit anderen Worten, die Stirnfläche ist nicht eine rein zylindrisch verlaufende Fläche, sie kann aber einen solchen Teil haben und/oder in einen solchen Teil übergehen.
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Der Deckel begrenzt den Druckaufbauraum. Der Deckel weist eine Deckelfläche auf. Die Deckelfläche ist dem Rotor, und insbesondere der Stirnfläche des Rotors zugewandt. Die Deckelfläche ist ebenfalls zumindest teilweise axial orientiert. Bspw. enthält die Deckelfläche eine zu der Rotationsachse senkrechte Ebene, einen rotationssymmetrischer Kegel, eine rotationssymmetrisch konvex und/oder konkav gekrümmte Fläche und/oder eine periodisch, regel- und/oder unregelmäßig um die Rotationsachse verlaufende Fläche. Mit anderen Worten, die Deckelfläche ist nicht eine rein zylindrisch verlaufende Fläche, sie kann aber einen solchen Teil haben und/oder in einen solchen Teil übergehen. Die Deckelfläche ist von der Stirnfläche axial beabstandet. Der Abstand zwischen der Deckelfläche und der Stirnfläche kann über den gesamten Druckaufbauraum gleich groß sein, oder er kann lokal unterschiedlich sein.
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Der Druckaufbauraum ist zumindest ein durch ein Fluid beströmbares Volumen. In dem Druckaufbauraum ist im Betrieb eine rotatorische Bewegung des Rotors und/oder des Deckels in eine fluidische Bewegung des Fluids umsetzbar bzw. wandelbar. Beispielsweise können ein Drehmoment in einen Druck und eine Drehzahl in einen Volumenstrom verlustbehaftet umgesetzt werden. Allgemein gesprochen kann die Pumpe eine hydrodynamisch oder hydrostatisch ausgelegte Pumpe sein. Eine hydrodynamisch ausgelegte Pumpe kann mittels eines nicht allseitig durch Wände oder dergleichen begrenzten Druckaufbauraums zum impulsübertragenden und/oder eine kinetische Energie übertragenden Fluid-Fördern konfiguriert sein. Eine hydrostatisch ausgelegte Pumpe kann mittels eines allseitig durch Wände oder dergleichen begrenzten Druckaufbauraums zum Druck, Volumenstrom und/oder Massenstrom übertragenden Fluid-Fördern konfiguriert sein. Ein Fluid kann ein Gas, Plasma oder bevorzugt ein Liquid sein. Die Pumpe kann mehrere Druckaufbauräume enthalten, wie beispielsweise zusätzlich eine Querschnittsvergrößerung und/oder -verjüngung.
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Die erfindungsgemäße Pumpe enthält zumindest ein Formgedächtniselement. Das Formgedächtniselement ist ein Bauelement, das infolge eines bestimmten Umgebungszustands einen zumindest zweier Formgedächtniszustände annimmt. Der bestimmte Umgebungszustand soll insbesondere eine Umgebungstemperatur sein. Dabei unterscheiden sich die beiden Formgedächtniszustände hinsichtlich einer Steifigkeit und/oder einer Form des Formgedächtniselements. Üblicherweise verursacht eine Temperaturänderung bei einem kristallinen, insbesondere metallischen Formgedächtniselement einen Gitteranordnungsübergang, sodass sich eine Steifigkeit des Formgedächtniselements verändert. Unter Anliegen einer Vorspannung wird so üblicherweise das Formgedächtniselement verformt bzw. verformt es sich.
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Bei der erfindungsgemäßen Pumpe ist das Formgedächtniselement mechanisch zwischen die Stirnfläche des Rotors und die Deckelfläche des Deckels geschaltet. Die Schaltung beinhaltet vorzugsweise eine Kombination aus einer Bildung des Formgedächtniselements, einer Bildung einer Formgedächtniseigenschaft des Formgedächtniselements und/oder einer Anordnung des Formgedächtniselements, welche zusammenwirken. Die Bildung des Formgedächtniselements kann vorzugsweise eine Urformung und/oder eine Umformung beinhalten. Die Bildung der Formgedächtniseigenschaft kann vorzugsweise eine thermomechanische Behandlung beinhalten. Die Schaltung ist derart, dass durch einen Übergang zwischen zwei Formgedächtniszuständen des Formgedächtniselements der Abstand zwischen der Stirnfläche und dem Deckel änderbar bzw. einstellbar ist. Der Übergang zwischen zwei Formgedächtniszuständen ist ein Übergang von einem Formgedächtniszustand mit einer ersten Steifigkeit und/oder Form des Formgedächtniselements in einen anderen Formgedächtniszustand mit einer zweiten, zu der ersten unterschiedlichen Steifigkeit und/oder Form desselben Formgedächtniselements. Durch den Übergang zwischen den zwei Formgedächtniszuständen wird also eine Steifigkeitsänderung, Steifigkeitsverteilungsänderung und/oder Formänderung des Formgedächtniselements hervorgerufen, welche durch die Schaltung vorzugsweise in eine Änderung einer Axialkraft zwischen der Stirnfläche und der Deckelfläche umgesetzt wird. Die Änderung der Axialkraft kann ein Entstehen, ein Verschwinden und/oder eine richtungsmäßige und/oder betragsmäßige Änderung beinhalten. Aus der Änderung der Axialkraft folgt schließlich die Änderbarkeit bzw. Änderung des Abstands zwischen der Stirnfläche und der Deckelfläche. Das Ändern des Abstands zwischen der Stirnfläche und der Deckelfläche kann ein Ausfahren bzw. Vergrößern des Abstands wie auch ein Einfahren bzw. Verkleinern des Abstands sein. Das Ändern des Abstands zwischen der Stirnfläche und der Deckelfläche kann ein Ändern eines Querschnitts des Druckaufbauraums enthalten.
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Das Formgedächtniselement ist erfindungsgemäß also als ein Aktor oder Teil eines Aktors vorgesehen, der ohne eine externe Steuerung nur im Ansprechen auf einen geänderten Umgebungszustand den Abstand zwischen der Stirnfläche und dem Deckel ändern kann. Das Formgedächtniselement kann also den Druckaufbauraum verändern. Konkret ermöglicht die Erfindung, eine Pumpe mit zwei Optimierungen des Druckaufbauraums bereitzustellen. Eine der Optimierungen kann vorzugsweise auf einen Anlaufzustand ausgelegt sein, und die andere Optimierung kann vorzugsweise auf einen Dauerlaufzustand ausgelegt sein. Indem also die Pumpe beim Anlaufen und während des Dauerlaufens jeweils in einem Optimum betreibbar ist, kann eine sehr effiziente Pumpe bereitgestellt werden. Mit anderen Worten, es ist eine betriebspunktabhängige Anpassung, insbesondere Leistungsanpassung, des Druckaufbauraums an ein Förderkennfeld möglich.
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Zweitens ist das Formgedächtniselement ohne externe Ansteuerung wirksam. Beispielsweise kann das Formgedächtniselement der Temperatur des Fluids mittelbar oder unmittelbar ausgesetzt sein. Es ist also keine Steuerungslogik oder Steuerungsverkabelung notwendig, um die Pumpe in den beiden Optima zu betreiben.
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Drittens ist das Formgedächtniselement ohne externe Energieversorgung wirksam. Indem das Formgedächtniselement der Temperatur des Fluids mittelbar oder unmittelbar ausgesetzt wird, gehört das Formgedächtniselement zu den unvermeidbar durch das Fluid mit Temperatur versorgten Teilen. Die Aktivierungsenergie des Formgedächtniselements wird also nicht zusätzlich bereitgestellt.
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Also ist die erfindungsgemäße Pumpe dreifach effizienter als bekannte Pumpen, nämlich durch die mehreren optimalen Betriebszustände, die einfache Bauart und den niedrigen Energieverbrauch.
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Diese dreifache Effizienz gilt auch für die erfindungsgemäße Kreiselpumpe, den erfindungsgemäßen Kreislauf und das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug, welche alle die erfindungsgemäße Pumpe mit ihren Eigenschaften enthalten.
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Der Deckel kann mit dem Rotor rotierbar sein, um Reibungsverluste der Fluidströmung durch den Druckaufbauraum zu verringern. Der Deckel ist vorzugsweise zu dem Rotor koaxial angeordnet, um eine symmetrische Konstruktion zu erreichen.
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Die Pumpe kann ausgelegt sein, um rein über Grenzschichtreibung oder mit unterstützend einer unregelmäßigen Oberfläche eine Bewegung, eine Energie und/oder einen Impuls auf das Fluid zu übertragen. Vorzugsweise ist die Pumpe mit zumindest einer Schaufel ausgestattet, welche in dem Druckaufbauraum um die Rotationsachse rotierbar angeordnet ist. Weiterbildend kann die Pumpe mit einer Vielzahl von Schaufeln ausgestattet sein. Eine Vielzahl sind im Zweifel zwei oder mehr. Mit zumindest einer Schaufel ist eine Energie und/oder ein Impuls effizient auf ein Fluid übertragbar.
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Der Rotor kann gestaltet sein, um durch eine Welle Rotations-antreibbar zu sein. Der Rotor kann auch Teil eines Elektromotors sein. Beispielsweise kann der Rotor Magnete enthalten, die angeordnet sind, um in ein um die Rotationsachse wechselndes und/oder drehendes Magnetfeld in ein Drehmoment zum Rotierenkönnen des Rotors zu wandeln. Der Rotor kann insbesondere als Innenläufer oder Außenläufer konfiguriert sein. Der Rotor kann zum mittelbaren Angetriebenwerden konfiguriert sein.
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Der Rotor kann eine Führung enthalten, wobei die Schaufel in der jeweiligen Führung drehfest zum Rotor und parallel zur Hauptachse verlagerbar geführt ist. Somit kann durch Ein- und Ausfahren der Schaufel bzw. durch Ändern einer Überdeckung der Schaufel die Pumpencharakteristik an mehr als einen Betriebspunkt angepasst werden, sodass die Effizienz der Pumpe nochmals gesteigert wird. Die Führung kann insbesondere ganz oder teilweise die Stirnfläche durchstoßen.
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Der Deckel kann eine Führung enthalten, wobei die Schaufel in der jeweiligen Führung drehfest zum Deckel und parallel zur Hauptachse verlagerbar geführt ist. Somit kann durch Ein- und Ausfahren der Schaufel bzw. durch Ändern einer Überdeckung der Schaufel die Pumpencharakteristik an mehr als einen Betriebspunkt angepasst werden, sodass die Effizienz der Pumpe nochmals gesteigert wird. Die Führung kann insbesondere ganz oder teilweise die Deckelfläche durchstoßen.
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Falls die Schaufel zwischen das Formgedächtniselement und die Stirnfläche oder zwischen das Formgedächtniselement und die Deckelfläche geschaltet ist, kann die Schaufel zum Ändern bzw. Einstellen des Abstands zwischen der Stirnfläche und der Deckelfläche eingesetzt werden. Somit kann auf ein zusätzliches Element, wie eine Stange, verzichtet werden, wodurch die Pumpe eine einfachere Konstruktion sowie ein geringeres Gewicht und Massenträgheitsmoment erhält, also effizienter wird.
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Vorzugsweise wird das Formgedächtniselement in einem Bauraum in dem Rotor oder in dem Deckel angeordnet. Dadurch wird das Formgedächtniselement nahe an dem Druckaufbauraum angeordnet und kann rasch auf eine Fluidtemperaturänderung ansprechen.
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Es können zumindest zwei Formgedächtniselemente wegsummierend bzw. in Reihe geschaltet sein. Haben beide bzw. alle Formgedächtniselemente dieselbe Formänderungsbedingung, d.h. bspw. ändern sie bei derselben Temperatur ihre Form, so kann ein größerer Hub ohne zusätzliches Getriebe erreicht werden. Haben zumindest zwei Formgedächtniselemente der zumindest zwei wegsummierend geschalteten Formgedächtniselement unterschiedliche Formänderungsbedingungen, so kann die Pumpe auf einen weiteren Arbeitspunkt hin optimiert werden. Die Pumpe kann also noch effizienter in zumindest drei Arbeitspunkten effizient betrieben werden.
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Zwei bzw. jeweils zwei wegsummierend geschaltete Formgedächtniselemente können phasenversetzt anliegend angeordnet sein. Darunter ist eine Anordnung zu verstehen, bei der sich die Formgedächtniselemente in einem Formänderungszustand aneinander abstützend voneinander wegdrücken. Diese Variante hat den Vorteil, auf Hilfsteile verzichten zu können.
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Zwischen zwei bzw. zwischen jeweils zwei wegsummierend geschaltete Formgedächtniselemente kann ein steifes Zwischenteil zwischengelegt sein. Bei dieser Anordnung stützen sich die beiden angrenzenden Formgedächtniselemente an dem steifen Zwischenteil ab, sodass eine Montage erleichtert wird. Das Zwischenteil ist vorzugsweise eine die Rotationsachse rotationssymmetrisch umgebende Scheibe bzw. ein solcher Ring. „Steif“ kann in diesem Zusammenhang bedeuten, dass eine Biegesteifigkeit des Zwischenteils zumindest einer Steifigkeit eines angrenzenden Formgedächtniselements entspricht, welches sich stabil in einem der Formänderungszustände befindet.
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Zusätzlich oder alternativ zu einer wegsummierenden Schaltung zumindest zweier Formgedächtniselemente kann vorgesehen sein, dass zumindest zwei Formgedächtniselemente kraftsummierend bzw. parallel geschaltet sind.
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Die kraftsummierend geschalteten Formgedächtniselemente können beispielsweise voneinander beabstandet zwischen letztlich dieselben Teile geschaltet sein. Beispielsweise können zumindest zwei relativ kleine Formgedächtniselemente zwischen einem Boden in dem Rotor und jeweils einer mit demselben Deckel verbundenen Schaufel geschaltet sein. Die kraftsummierende Schaltung bewirkt in diesem Fall ein Kräftegleichgewicht. Durch die Steifigkeitsänderung erzeugen die Formgedächtniselemente auf anliegende Teile, wie den Rotor oder die Schaufel, jeweils eine Formänderungskraft. Die Formgedächtniselemente sind dabei vorzugsweise derart angeordnet, dass die jeweiligen Formänderungskräfte in dieselbe Richtung wirken.
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Die kraftsummierend geschalteten Formgedächtniselemente können bezüglich der Richtung der Formänderungskraft nebeneinander oder hintereinander angeordnet sein. Dabei sind die hintereinander angeordneten Formgedächtniselemente vorzugsweise phasengleich angeordnet, um eine hohe Ausbeute zu erzielen. Die nebeneinander angeordneten Formgedächtniselemente erzielen ohne Aufwand bereits die hohe Ausbeute. Insofern ist ein kraftsummierendes Schalten zumindest zweier Formgedächtniselemente effizient.
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Das Formgedächtniselement kann jede beliebige Form haben. Eine bevorzugte Option ist, dass das Formgedächtniselement ein Drahtbauteil ist. Ein solches kann auf einer bekannten und hier nicht gesondert beschriebenen Drahtbiege- und Schneidmaschine günstig und mit hoher Präzision für hohe Stückzahlen geeignet hergestellt werden. Ein Drahtbauteil hat einen in zwei Dimensionen kleinen Querschnitt und eine im Vergleich dazu große Länge. Der Begriff Drahtbauteil beschreibt also in erster Linie eine Form, und nicht eine Materialeigenschaft. Eine andere bevorzugte Option ist es, das Formgedächtniselement als ein Flachmaterialteil vorzusehen, weil ein solches mittels einer Stanze und/oder Presse zuverlässig herstellbar ist. Ein Flachmaterial weist in einer Dimension einen kleinen Querschnitt und in einer anderen Dimension einen größeren Querschnitt auf, außerdem eine im Vergleich große Länge.
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Es ist für die Anwendung in/an/mit einem Rotor und/oder Deckel vorteilhat, wenn das Formgedächtnisbauteil ringförmig ist, weil so über den Umfang eine möglichst gleichmäßige und/oder in gleichmäßigen Intervallen verteilte Formänderung eingesetzt werden kann. Der Ring kann vollständig geschlossen oder mit einer Lücke geschlossen sein. Die Lücke soll vorzugsweise kleiner als eine halbe Phase sein. Unter einer Phase soll in dieser Anmeldung bei einem abschnittsweise Steifigkeit ändernden bzw. verformenden Formgedächtnisbauteil ein Abschnitt aus einem Teilabschnitt mit hoher Amplitude und einem Teilabschnitt mit niedriger Amplitude oder ein Abschnitt aus einem Teilabschnitt mit Amplitude in einer Richtung und einem Teilabschnitt mit Amplitude in einer anderen Richtung oder entsprechendes verstanden werden.
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Das ringförmige Formgedächtniselement kann kreisringförmig, gleichmäßig oder ungleichmäßig polygonförmig, und/oder unregelmäßig gebildet sein. Beispielsweise kann das Formgedächtniselement entlang der Hauptachse betrachtet ein Viereck bis Zwölfeck sein, bevorzugt ein Sechseck bis Zehneck sein, besonders bevorzugt ein Achteck sein. Eine kleine oder größere, insbesondere auch deutlich größere Anzahl an Ecken ist ebenfalls möglich. Mit anderen Worten, das Formgedächtniselement kann entlang der Hauptachse betrachtet ein Vieleck sein, wobei dieses mindestens drei Ecken hat. Dabei ist eine gerade Eckenanzahl besonders bevorzugt. Insbesondere falls das Formgedächtniselement mehr als eine Windung hat oder mehrere Formgedächtniselement nebeneinander liegend angeordnet sind, ist aber auch eine ungerade Eckenanzahl vorteilhaft einsetzbar.
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Das Formgedächtniselement kann zumindest eine von dem Ring abstehende Auskragung haben, wobei vorzugsweise eine Steifigkeit und/oder Stellung zumindest einer Auskragung entlang einer durch den Ring definierten Hauptachse bzw. Mittelachse zwischen zwei Formänderungszuständen änderbar ist. Vorzugsweise liegt eine Vielzahl von Auskragungen vor, die in regelmäßigen Intervallen angeordnet sind, und deren Steifigkeit und/oder Stellung änderbar ist. Dadurch werden die aus den Steifigkeitsänderungen bzw. Formänderungen resultierenden Kräfte gleichmäßig zwischen der Stirnfläche und der Deckelfläche eingebracht.
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Die Auskragungen können nach radial innen oder nach radial außen auskragen, und zwar alle oder jeweils nur ein Teil. Mit diesen Optionen können bauraumliche Erfordernisse eingehalten werden.
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Die Auskragungen können beispielsweise keilförmig, halbrund, spiralförmig und/oder eine Kombination daraus sein. Diese Formen sollen im Zweifel auf eine Blickrichtung entlang einer Hauptachse des Rings bezogen sein. Mit diesen Optionen können ein Verlauf sowohl einer Steifigkeit bzw. Formänderungskraft wie auch einer Federkraft an eine bestimmte Konstruktion angepasst werden. Außerdem kann Material eingespart werden.
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Vorzugsweise ist die Pumpe dazu ausgelegt, dass eine Änderung des Abstands zwischen der Stirnfläche und der Deckelfläche durch das Formgedächtniselement durch einen Förderdruck der Pumpe rückstellbar ist. Dazu kann beispielsweise vorgesehen sein, dass ein Förderdruck der Pumpe auf eine Deckelrückseite oder vorzugsweise eine Rotorrückseite wirkt. Mit anderen Worten: Die Pumpe kann dazu ausgelegt sein, dass das Formgedächtniselement durch den Förderdruck der Pumpe in einem Formgedächtniszustand des Formgedächtniselements, insbesondere in einer Niedertemperaturphase des Formgedächtniselements, verformbar ist.
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Um den Abstand zwischen der Stirnfläche und der Deckelfläche hin und her verstellen zu können, kann vorgesehen sein, dass das Formgedächtniselement zwischen die Stirnfläche und einen mit der Deckelfläche gekoppelten Mitnehmer geschaltet ist, oder dass das Formgedächtniselement zwischen die Deckelfläche und einen mit der Stirnfläche gekoppelten Mitnehmer geschaltet ist. Dabei kann weiterbildend vorgesehen sein, dass der Mitnehmer in der Gegenrichtung durch eine Feder oder durch ein zweites Formgedächtniselement oder mittels einer Kolbenfläche durch einen Fluiddruck beaufschlagbar ist. Die Option mit der Feder hat den Vorteil einer konstant sicher anliegenden Rückstellkraft bzw. Vorspannung bzw. Verformungskraft. Die Option mit dem Formgedächtniselement hat den Vorteil, dass eine Verstellkraft nur bei einer bestimmten Formänderungsbedingung um eine Rückstellkraft verringert wird. Die Option mit der Kolbenfläche hat den Vorteil, dass weniger Bauteile benötigt werden. Eine bevorzugte Variante ist, dass ein Mitnehmer das Formgedächtniselement mit einer der Flächen Stirnfläche oder Deckelfläche koppelt, wobei eine Feder den Mitnehmer gegen die andere der Flächen Deckelfläche oder Stirnfläche vorspannt. Eine weitere bevorzugte Variante ist, dass ein Mitnehmer zwischen zwei Formgedächtniselemente mit unterschiedlichem Formgedächtnisverhalten geschaltet ist, wobei der Mitnehmer mit einer der Flächen Stirnfläche oder Deckelfläche gekoppelt ist, und wobei die von dem Mitnehmer abgewandten Seiten der Formgedächtniselemente mit der anderen der Flächen Deckelfläche oder Stirnfläche gekoppelt sind.
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Das Formänderungselement kann mit mehr als einer Windung ringförmig geschlossen sein. Es ist dabei bevorzugt, den überlappenden Teil kraftsummierend zu schalten, auf diese Weise werden Vorteile entsprechend der kraftsummierenden Schaltung unterschiedlicher Formgedächtniselemente erzielt. Optional kann der überlappende Teil in radialer Richtung nebeneinander liegen, und/oder in axialer Richtung hintereinander liegen. Auf diese Weise kann außerdem mit einer einzigen Drahtstärke eine Serie von Formgedächtniselementen mit unterschiedlicher Formänderungskraft erzeugt werden. Um die Formänderungskraft gleichmäßig zu verteilen, kann der Ring annähernd volle Windungen enthalten, insbesondere zumindest zwei annähernd volle Windungen oder drei annähernd volle Windungen. Eine „annähernd“ volle Windung entspricht einer Windung plus/minus einer Phase.
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Gemäß einer bevorzugten Option macht die Formänderung eines Formänderungselements einen Hub von bis zu 10 Millimetern, stärker bevorzugt von bis zu 5 Millimetern, am stärksten bevorzugt von bis zu 2 Millimetern aus.
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Gemäß einer Option vollzieht sich die Formänderung materialbedingt in einem Temperaturbereich zwischen -40°C und 125°C, bevorzugt in einem Temperaturbereich zwischen 70°C und 10°C, stärker bevorzugt zwischen 65°C und 15°C, am stärksten bevorzugt zwischen 60°C und 50°C. Beispielsweise kann eine Nickel-Titan Legierung, insbesondere eine binäre Nickel-Titan-Legierung oder bevorzugt eine ternäre Nickel-Titan-X-Legierung, besonders bevorzugt eine als NiTiCu55°C bezeichnete Legierung, verwendet werden.
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Der Rotor kann als eine Tragscheibe ausgeführt sein. Der Deckel kann als eine Deckscheibe ausgeführt sein. Die Pumpe kann ein Gehäuse haben, das den Rotor, den Deckel und den Druckaufbauraum ganz oder teilweise umschließt. Das Gehäuse beinhaltet vorzugsweise Fluidleitungen.
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Die erfindungsgemäße Kreiselpumpe kann ein radial außen am Rotor und/oder am Deckel liegendes Ausströmfenster haben. Ferner kann die Kreiselpumpe ein radial innen im Rotor und/oder im Deckel liegendes Einströmfenster haben. Der Rotor mit der Stirnfläche ist vorzugsweise als eine Tragscheibe ausgestaltet sein. Der Deckel mit der Deckelfläche ist vorzugsweise als eine Deckscheibe ausgestaltet sein. Die Schaufel kann bzw. die Schaufeln können spiralförmig nach radial außen verlaufen.
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Der erfindungsgemäße Kreislauf kann ein Kühlmittelkreislauf sein. Der erfindungsgemäße Kreislauf kann insbesondere zum Kühlen eines Verbrennungsmotors geeignet bzw. ausgelegt sein. Der erfindungsgemäße Kreislauf kann insbesondere zum Kühlen bzw. Temperieren der Aggregate eines Hybridkraftfahrzeugs oder eines konventionellen Kraftfahrzeugs geeignet bzw. ausgelegt sein. Der erfindungsgemäße Kreislauf kann insbesondere zum Kühlen bzw. Temperieren einer Batterie und/oder einer Brennstoffzelle eines Elektrokraftfahrzeugs oder eines Hybridkraftfahrzeugs geeignet bzw. ausgelegt sein. Der Kreislauf kann ein zum Heizen und/oder Kühlen konfigurierter Klimakreislauf sein. Der Kreislauf ist nicht auf Kraftfahrzeuganwendungen beschränkt. Beispielsweise kann der Kreislauf in einer stationären Vorrichtung, wie einer Gebäudeheizung Anwendung finden. Der Kreislauf kann ein geschlossener Kreislauf mit oder ohne einem Ausgleichstank oder ein offener Kreislauf mit oder ohne einem Vorratstank sein.
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Das Kraftfahrzeug kann ein Landfahrzeug, Luftfahrzeug oder Wasserfahrzeug sein, insbesondere ein Geländefahrzeug und/oder ein Straßenfahrzeug zum Personentransport und/oder Gütertransport. Das Kraftfahrzeug kann den Kreislauf insb. zum Kühlen und/oder Heizen eines Verbrennungsmotors, eines Elektromotors, einer Brennstoffzelle, einer Batterie, eines Tanks, eines Innenraums und/oder eines Hilfsaggregats konfiguriert enthalten.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, in der:
- 1 schematisch ein Ausführungsbeispiel einer Pumpe gemäß der ersten Ausführungsform im Querschnitt zeigt,
- 2 einen Ausschnitt aus der 1 mit einem Rotor, einem Deckel, einem Mitnehmer und zwei Formgedächtniselementen zeigt,
- 3 einen Ausschnitt aus der 2 schematisch zeigt,
- 4 ein in den Ausführungsformen eins bis drei verwendetes Formgedächtniselement zeigt,
- 5 ein Diagramm zu einer Variante der ersten Ausführungsform zeigt,
- 6 einen Aktor gemäß einer zweiten Ausführungsform schematisch zeigt,
- 7 einen Aktor gemäß einer dritten Ausführungsform zeigt,
- 8 ein Formgedächtniselement gemäß einer vierten Ausführungsform zeigt,
- 9 ein Formgedächtniselement gemäß einer fünften Ausführungsform zeigt,
- 10 ein Formgedächtniselement gemäß einer sechsten Ausführungsform zeigt,
- 11 ein Formgedächtniselement gemäß einer siebten Ausführungsform zeigt,
- 12 ein Formgedächtniselement gemäß einer achten Ausführungsform zeigt,
- 13 ein Formgedächtniselement gemäß einer neunten Ausführungsform zeigt,
- 14 ein Formgedächtniselement gemäß einer zehnten Ausführungsform zeigt, und
- 15 ein Formgedächtniselement gemäß einer elften Ausführungsform zeigt.
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Ein Ausführungsbeispiel einer Pumpe 1 ist in den 1 bis 4 dargestellt. Sie hat einen Rotor 2 mit einer Stirnfläche 3, einen Deckel 4 mit einer Deckelfläche 5 und Schaufeln 6, ein mehrteiliges Gehäuse 7 und einen Aktor 8. Der Aktor 8 hat ein Formgedächtniselement 9, eine Ringfeder 10 und einen Mitnehmer 11.
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Die Pumpe 1 ist bei der ersten Ausführungsform als eine Kreiselpumpe, insbesondere als Radialmaschine ausgeführt. Der Rotor 2 ist als Tragscheibe ausgeführt, und der Deckel 4 ist als Deckscheibe ausgeführt.
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Der Rotor 2 ist um eine Rotationsachse R drehbar. Der Rotor 2, der Aktor 8 und der Deckel 4 sind zu der Rotationsachse R rotationssymmetrisch. Die Rotationsachse R ist die Hauptachse der Konstruktion, und sie definiert zwei Axialrichtungen, zwei Umfangsrichtungen und Radialrichtungen.
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In dem Rotor 2 sind Führungen 12 ausgenommen. Die Schaufeln 6 sind in den Führungen 12 parallel zu der Rotationsachse R je einzeln geführt. Die Führungen 12 wie auch die Schaufeln 6 sind gleichmäßig um die Rotationsachse R verteilt, sodass sowohl eine Massenverteilung des Rotors 2 und der Schaufeln 6 wie auch an den Schaufeln 6 entstehbare Strömungskräfte bezüglich der Rotationsachse R näherungsweise ausgeglichen sind. „Näherungsweise ausgeglichen“ soll im Zweifel bedeuten, dass diese Kräfte so ausgeglichen sein sollen, wie es im Rahmen üblicher Fertigungstoleranzen und natürlicher Schwankungen unter Berücksichtigung wirtschaftlicher Erwägungen möglich ist. Der Rotor 2 ist durch eine nicht dargestellte Welle antreibbar und entlang dieser verlagerbar gelagert.
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Der Rotor 2 ist zweigeteilt, nämlich in einen die Stirnfläche 3 tragenden Rotor-Hauptkörper 13 und einen Rotor-Boden 14. Diese Aufteilung ist rein exemplarisch, andere Ausführungsformen können eine zweigeteilte Stirnfläche 3 oder eine Wellenmutter-Konstruktion oder andere Konstruktionsformen umfassen. In dem Rotor-Hauptkörper 13 ist rotations-mittig ein Bauraum 15 vorgesehen, in welchen die Führungen 12 münden. Der Rotor-Boden 14 verschließt fest den Bauraum 15.
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Die in den Führungen 12 geführten Schaufeln 6 reichen in den Bauraum 15 hinein. Die Schaufeln 6 sind mit dem Mitnehmer 11 in beide Axialrichtungen fest verbunden, bspw. verschraubt, rastiert, umformend gefügt, verlötet, verschweißt, verblockt oder dergleichen. Das Formgedächtniselement 9 ist axial zwischen dem Rotor-Hauptkörper 13 und dem Mitnehmer 11 und radial in dem Bauraum 15 angeordnet. Die Ringfeder 10 ist axial zwischen dem Mitnehmer 11 und dem Rotor-Boden 14 und radial in dem Bauraum 15 angeordnet. Die Ringfeder 10 ist derart gestaltet, dass eine entspannte axiale Höhe der Ringfeder 10 gleich groß wie oder vorzugsweise geringfügig kleiner als eine axiale Höhe des Bauraums 15 abzüglich einer axialen Höhe des Mitnehmers 11 und einer minimalen axialen Höhe des Formgedächtniselements 9 ist.
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Der Deckel 4 ist mit den Schaufeln 6 fest verbunden; vorzugsweise sind diese einstückig gebildet, insbesondere aus einem Teil gefertigt. In dem Gehäuse 7 ist eine Aufnahme 16 ausgenommen. Die Aufnahme 16 entspricht einem Negativ des Deckels 4 mit dazwischen einem dünnen Spalt zum Vermeiden eines Schleifens oder Berührens des Deckels 4 an dem Gehäuse 7. Der Deckel 4 ist in axialer Richtung an dem Gehäuse 7 abgestützt.
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Das Formgedächtniselement 9 ist ein Drahtbauteil: es hat einen im Wesentlichen runden Querschnitt, wobei sein Durchmesser um ein Vielfaches kleiner als seine entlang einer gedachten neutralen Faser messbare Länge ist. „im Wesentlichen“ soll im Zweifel bedeuten, dass Abweichungen, beispielsweise an Biegungen und/oder in einem Formgedächtniszustand, mechanische Eigenschaften des Querschnitts, wie eine Steifigkeit, nicht in einer das Wesen verändernden Weise, beispielsweise nicht über 25% und insbesondere nicht über 8%, beeinflussen.
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Das Formgedächtniselement 9 ist ringförmig geschlossen. Es ist in axialer Richtung betrachtet ein gleichmäßiges Achteck mit acht gebogenen Eckabschnitten 17, die vorliegend durch acht gerade Zwischenabschnitte 18 verbunden werden.
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In dem dargestellten Formgedächtniszustand ändert sich, seitlich betrachtet, die Richtung des Drahts des Formgedächtniselements 9 an jedem Eckabschnitt 17 in axialer Richtung. Mit anderen Worten, das Formgedächtniselement 9 enthält zur Hälfte axial oben befindlichen Eckabschnitte 17 und zur anderen Hälfte axial unten befindliche Eckabschnitte 17, welche dem Verlauf des Formgedächtniselements 9 nach abwechselnd aufeinander folgen. Mit nochmals anderen Worden: das Formgedächtniselement 9 zeigt in einer Abwicklungsprojektion bzw. entlang einer Umfangsrichtung einen Wellenverlauf.
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Das Formgedächtniselement 9 liegt am seinem einen axialen Ende mit der einen Hälfte der Eckabschnitte 17 an dem Rotor-Hauptkörper 13 innen an. An seinem anderen axialen Ende liegt das Formgedächtniselement 9 mit der anderen Hälfte der Eckabschnitte 17 an dem Mitnehmer 11 an. Weil der Mitnehmer 11 fest mit den Schaufeln 6 und die Schaufeln 6 fest mit dem die Deckelfläche 5 tragenden Deckel 4 verbunden sind, und weil die Stirnfläche 3 ein Teil des Rotor-Hauptkörpers 13 ist, ist somit das Formgedächtniselement 9 zwischen die Stirnfläche 3 und die Deckelfläche 5 geschaltet. In gleicher Weise ist die Ringfeder 10, weil sie an den Rotor-Boden 14 und den Mitnehmer 11 anliegt, zwischen die Stirnfläche 3 und die Deckelfläche 5 geschaltet. Die Ringfeder 10 drückt den Mitnehmer 11 gegen das Formgedächtniselement 9.
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Das Formgedächtniselement 9 ist aus einer NiTiX-Legierung, insbesondere aus einer NiTiCu55°C-Legierung. Diese Legierung hat eine Formgedächtniseigenschaft. Ist das Formgedächtniselement 9 kälter als ungefähr 55°C, beispielsweise 10°C, befindet es sich in einem ersten Formgedächtniszustand, hier einer Niedertemperaturphase. Ist das Formgedächtniselement 9 wärmer als ungefähr 55°C, beispielsweise 80°C, befindet es sich in einem zweiten Formgedächtniszustand, hier einer Hochtemperaturphase.
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Die Ringfeder 10 belastet das Formgedächtniselement 9, bzw. sie spannt dieses vor. Befindet sich das Formgedächtniselement 9 in dem ersten Formgedächtniszustand, hier der Niedertemperaturphase, wird das Formgedächtniselement 9 durch die Kraft der Ringfeder 10 pseudoplastisch verformt. „Pseudoplastisch“ soll hier bedeuten, dass das in der Niedertemperaturphase verformte Formgedächtniselement 9 seine Verformung behält, solange es in der Niedertemperaturphase verbleibt. Wird das Formgedächtniselement 9 erwärmt, geht es in den zweiten Formgedächtniszustand, hier die Hochtemperaturphase, über. Es kommt zu dem Formgedächtniseffekt bzw. Erinnerungseffekt: Beim Übergang in die Hochtemperaturphase erhöht sich die Steifigkeit des Formgedächtniselements 9. In der Folge verformt sich das Formgedächtniselement 9 entgegen der Kraft der Ringfeder 10 zurück. Auf diese Weise wird der Mitnehmer 11 hin und her, hier hoch und hinunter, verlagert.
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Bei der dargestellten Ausführungsform ergibt sich ein Kräftegleichgewicht im Zusammenwirken der Steifigkeit der Ringfeder 10 und der Steifigkeit des Formgedächtniselements 9 in dem Bauraum 15. Infolge dieses Kräftegleichgewichts wird der Rotor 2 in dem Gehäuse 7 entlang der Hauptachse R positioniert.
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Genauer gesagt, da der Deckel 4 mit dem Mitnehmer 11 gekoppelt ist, wird die Deckelfläche 5 relativ zu der Stirnfläche 3 des Rotors 2 verlagert. Somit ändert das Formgedächtniselement 9 einen Abstand zwischen der Deckelfläche 5 und der Stirnfläche 3. In dem Volumen zwischen der Deckelfläche 5 und der Stirnfläche 3 befinden sich zum Teil die Schaufeln 6. Rotieren der Rotor 2, der Deckel 4 und die Schaufeln 6, leistet die Pumpe 1 in diesem Volumen die Pumparbeit, insbesondere einen Druckaufbau; dieses Volumen ist also ein Druckaufbauraum 18. Im Ergebnis vergrößert und/oder verkleinert das Formgedächtniselement 9 den Druckaufbauraum 18. Mit anderen Worten, ein Strömungsquerschnitt der Pumpe 1, genauer ein Strömungsquerschnitt des Druckaufbauraums 18, wird verändert. Daher werden mit einer Pumpe 1 bei zwei unterschiedlichen Fluid-Temperaturen über unterschiedliche Rotor-Temperaturen letztlich zwei unterschiedlich große Druckaufbauraumvolumina erhalten.
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Die Abgaben „oben“ und „unten“ sind in dieser Beschreibung rein anschaulich gemeint. Sie sind nicht technisch bedingt. In einer Einbaulage können stattdessen die Begriffe „erste axiale Richtung“ und „zu der ersten axialen Richtung entgegen gerichtete zweite axiale Richtung“ präziser sein. Man kann auch von einem „Ausfahren“ bzw. einer „Ausfahrrichtung“ und einem „Einfahren“ bzw. einer „Einfahrrichtung“ bzgl. einer Bewegung des Rotors 2 relativ zum Deckel 4 bzw. relativ zum Gehäuse 7 sprechen.
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Die übrige Gestaltung des Rotors 2, des Deckels 4 und des Gehäuses 7, insbesondere im Hinblick auf eine strömungsgünstige Geometrie, einen Einsatzzweck, eine Materialwahl und/oder dergleichen richtet sich nach dem Stand der Technik und wird hier daher nicht weiter thematisiert.
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Die Wirkung der ersten Ausführungsform kann anhand der 5 ersehen werden. Die 5 zeigt ein exemplarisches Simulationsergebnis für eine Variante der ersten Ausführungsform. Die Abszissenachse zeigt einen normierten Volumenstrom Vs. Die linke Ordinatenachse zeigt einen auf den Volumenstrom normierten Differenzdruck dp über die Pumpe 1. Die durchgehende Linie zeigt den entsprechenden Differenzdruckverlauf über dem Volumenstrom, auch als Pumpenkennlinie bezeichnet. Die beiden unterbrochenen Linien zeigen einen Pumpenwirkungsgrad eta in Prozent für zwei unterschiedliche Volumina eines Druckaufbauraums 19 entsprechend der Skala der rechten Ordinatenachse. In dem Diagramm zeigt die jeweilige Position zweier Kreise einen Arbeitspunk bzw. Auslegungspunkt bzw. Förderpunkt der Pumpe 1 bei jeweils einer niedrigen und einer hohen Fluidtemperatur auf der jeweiligen Wirkungsgradkurve an. Aus dem Verhältnis der Position der beiden Kreise zueinander kann ersehen werden, dass wegen des unterschiedlich großen Druckaufbauraums 19 bei unterschiedlichen Fluidtemperaturen mit der erfindungsgemäßen Pumpe 1 etwa derselbe Wirkungsgrad erhalten werden kann.
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Bevorzugte Gestaltungen des Formgedächtniselements 9 umfassen bei der ersten Ausführungsform die folgenden Varianten: Ein drahtartiges Formgedächtniselement 9 mit einem Wellenverlauf in Umfangsrichtung, wobei das Formgedächtniselement 9 einen Drahtdurchmesser von 1 mm bei einer Gesamthöhe einschließlich Drahtdurchmesser und Wellenamplitude von 3 mm und einem der Biegeradien 1,5 mm, 2 mm, 2,5 mm, 5 mm oder 7,5 mm hat. Ein drahtartiges Formgedächtniselement 9 mit einem Wellenverlauf in Umfangsrichtung, wobei das wellenförmig umlaufende Formgedächtniselement 9 einen Drahtdurchmesser von 1,5 mm bei einer Gesamthöhe einschließlich Drahtdurchmesser und Wellenamplitude von 3,5 mm und einem der Biegeradien 2,5 mm, 5 mm oder 7,5 mm hat. Ein drahtartiges Formgedächtniselement 9 mit einem Wellenverlauf in Umfangsrichtung, wobei das wellenförmig umlaufende Formgedächtniselement 9 einen Drahtdurchmesser von 2 mm bei einer Gesamthöhe einschließlich Drahtdurchmesser und Wellenamplitude von 4 mm und einem der Biegeradien 2,5 mm, 5 mm oder 7,5 mm hat. In den genannten Fällen kann das Formgedächtniselement 9 einen sechseckigen Grundriss mit sechs Eckabschnitten oder einen achteckigen Grundriss mit acht Eckabschnitten aufweisen. Die hier genannten Ausführungen stellen lediglich besonders bevorzugte Ausführungen dar.
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Eine Variante der ersten Ausführungsform wird erhalten, wenn das Formgedächtniselement 9 und die Ringfeder 10 vertauscht eingebaut werden, sodass auf eine andere Viskositätsverteilung hin optimiert sein kann, oder eine andere Verteilung der Formgedächtniseigenschaft eingesetzt sein kann.
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Im Folgenden werden weitere Ausführungsformen beschrieben. Zum Zwecke der Einfachheit wird stets auf die Beschreibung der ersten Ausführungsform Bezug genommen; es werden daher nur Unterschiede beschrieben. Im Übrigen sollen Merkmale der einzelnen Ausführungsformen untereinander austauschbar und/oder kombinierbar sein.
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Eine zweite Ausführungsform der Erfindung wird unter Verweis auf die 6 beschrieben. Im Übrigen wird auf die Vorbeschreibung verwiesen. Bei der zweiten Ausführung enthält der Aktor 8 nur das Formgedächtniselement 9 und den Mitnehmer 11. Die Rückstellung des Deckels 4 mit den Schaufeln 6 geschieht beispielsweise über Strömungskräfte und/oder Druckkräfte.
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Gemäß einer Variante der zweiten Ausführungsform sind die Eckabschnitte 17 mit dem Mitnehmer 11 bzw. dem Rotor-Hauptkörper 13 fest gefügt, wie verklebt. Somit kann das einzige Formgedächtniselement 9 im Zusammenwirken mit beispielsweise einer Druckkraft des Fluids auf eine Rückseite des Rotors 2 hin- und rückstellen.
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Eine dritte Ausführungsform der Erfindung wird anhand der 7 beschrieben. Bei der dritten Ausführungsform enthält der Aktor 8 neben dem ersten Formgedächtniselement 9 ein zweites Formgedächtniselement 20. Beide Formgedächtniselemente 9, 20 sind wie das Formgedächtniselement 9 und die Ringfeder 10 der ersten Ausführungsform gegeneinander gerichtet zwischen die Stirnfläche 3 und die Deckelfläche 5 geschaltet. Sie drücken gegeneinander und positionieren so den Mitnehmer 11. Beide Formgedächtniselemente 9, 20 haben dieselbe Formgedächtnisbedingung, d.h. Übergangstemperatur zwischen dem ersten und dem zweiten Formänderungszustand. Allerdings haben im ersten Formänderungszustand das eine Formgedächtniselement 9 seine betragsmäßig große Steifigkeit und das andere Formgedächtniselement 20 seine betragsmäßig kleine Steifigkeit, und haben im zweiten Formänderungszustand das eine Formgedächtniselement 9 seine betragsmäßig kleine Steifigkeit und das andere Formgedächtniselement 20 seine betragsmäßig große Steifigkeit. Sie verhalten sich also gegensinnig. Auf diese Weise können der Mitnehmer 11 und der Rotor 2 zwischen den Formgedächtniszuständen verlagert werden, und der Abstand zwischen der Stirnfläche 3 und der Deckelfläche 5 geändert bzw. eingestellt werden, ohne eine Rückstellkraft überwinden zu müssen. Es steht also mehr Formänderungskraft je Formgedächtniselement 9, 20 zur Verfügung, sodass insgesamt kleinere Formgedächtniselemente 9, 20 eingesetzt werden können.
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Eine vierte Ausführungsform wird anhand der 8 beschrieben. Im Übrigen wird auf die vorstehenden Ausführungsformen, insbesondere die erste Ausführungsform verwiesen.
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Das Formgedächtniselement 9 der vierten Ausführungsform ist ein Flachmaterial bzw. aus einem Flachmaterial. Im Querschnitt ist seine Erstreckung in der Höhenrichtung sehr viel kleiner als seine Erstreckung in der Breitenrichtung. Wie bei der ersten Ausführungsform ist das Formgedächtniselement 9 ringförmig geschlossen. Beispielsweise kann das Formgedächtniselement 9 aus einem Blech-artigen Halbzeug gestanzt worden sein.
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Radial außen an dem Ring stehen halbkreisförmige Auskragungen 21 nach radial außen ab. Die halbkreisförmigen Auskragungen 21 gehen in engen, konkaven Abschnitten ineinander über und sind ansonsten von konvexer Kontur. In einem Formänderungszustand ist das Formgedächtniselement 9 annähernd eben. In einem anderen Formgedächtniszustand stehen die halbkreisförmigen Auskragungen 21 nach axial oben ab. Die Halbkreisform erzeugt dabei ein gewünschtes Steifigkeitsprofil.
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In einer Variation der vierten Ausführungsform stehen in dem anderen Formgedächtniszustand die halbkreisförmigen Auskragungen 21 abwechselnd nach axial oben und axial unten ab. Dieses Formgedächtniselement 9 weist also einen besonders großen Hub auf.
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Eine fünfte Ausführungsform wird anhand der 9 beschrieben. Im Übrigen wird auf die vorstehenden Ausführungsformen, insbesondere die erste Ausführungsform verwiesen.
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Im Gegensatz zu der, in axialer Richtung gesehenen, gleichmäßig achteckigen Gestalt des Formgedächtniselements 9 der ersten Ausführungsform reihen sich hierbei in abwechselnder Reihenfolge konvex verlaufende Krümmungen 22 mit engem Radius und konkav verlaufende Krümmungen 23 mit großem Radius aneinander. Das Ergebnis der dargestellten Blumenform ist, dass die Krümmungen 23 von einer zentralen Hauptachse R weiter entfernt sind als die Krümmungen 22.
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In einem Formgedächtniszustand befindet sich das Formgedächtniselement 9 der fünften Ausführungsform wie dargestellt in einer Ebene. In einem anderen Formgedächtniszustand befinden sich die Krümmungen 23 in einer axialen Extremposition, bspw. alle oben oder teils oben und teils unten. Im Zusammenwirken mit der großen Entfernung von der Hauptachse R wird ein im Vergleich zur ersten Ausführungsform größerer Hub erreicht.
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Bei einer Variante der fünften Ausführungsform befinden sich in dem anderen Formgedächtniszustand die Krümmungen 22 in einer axialen Extremposition oder in abwechselnd orientierten axialen Extrempositionen.
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Die 10 und 11 zeigen eine sechste und eine siebte Ausführungsform der Erfindung. In beiden Fällen ist das Formgedächtniselement 9 aus drahtartigem Halbzeug. Beide Formgedächtniselemente habe je sechs Eckabschnitte 17 und Zwischenabschnitte 18; in axialer Richtung betrachtet hat das Formgedächtniselement 9 daher die Form eines regelmäßigen Sechsecks. Wie bei der ersten Ausführungsform befindet sich in einem Formgedächtniszustand die Hälfte der Eckabschnitte 17 in einer axialen Extremposition und die andere Hälfte der Eckabschnitte in einer entgegen gerichteten axialen Extremposition.
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Die Formgedächtniselemente unterscheiden sich jedoch zur ersten Ausführungsform auch dadurch, dass der Ring aus drahtartigem Halbzeug in mehreren kraftaddierenden Windungen radial nebeneinander liegt. Somit können die Formgedächtniselemente 9 der ersten, sechsten und siebten Ausführungsform beispielsweise aus demselben Material mit denselben Maschinen und Verfahrensschritten hergestellt sein, und dennoch unterschiedliche Axialkräfte zum Ändern bzw. Einstellen des Abstands zwischen der Stirnfläche 3 und der Deckelfläche 5 aufbringen.
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Die 12 und 13 zeigen eine achte und eine neunte Ausführungsform der Erfindung. Im Gegensatz zu der sechsten und siebten Ausführungsform sind die Windungen ebenfalls kraftaddierend aber in axialer Richtung aneinander anliegend gebildet. Somit können die Eckabschnitte 17 über alle Windungen hinweg mit denselben Eigenschaften gebildet werden. Im Übrigen gilt die Vorbeschreibung.
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Die 14 illustriert ein Formgedächtniselement 9 einer zehnten Ausführungsform aus einem Flachmaterial. Im Übrigen wird auf die Vorbeschreibung, insbesondere die erste Ausführungsform, verwiesen. Das Formgedächtniselement 9 hat einen Ringkörper 24, von dem Auskragungen 25 nach radial innen abstehen. Die Auskragungen 25 sind in axialer Richtung betrachtet keilstumpfförmig.
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Auch bei der zehnten Ausführungsform gibt es die beiden Varianten, dass in einem Formgedächtniszustand alle Auskragungen 25 wie dargestellt in dieselbe axiale Richtung abstehen, oder dass in einem Formgedächtniszustand die Auskragungen 25 abwechselnd in beide axiale Richtungen abstehen. Durch die Keilform wird eine Steifigkeit der Auskragungen, und dadurch letztlich ein Axialkraftverlauf während des Übergangs von einem Formgedächtniszustand in einen anderen Formgedächtniszustand gesteuert.
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Die 15 schließlich zeigt ein weiteres Formgedächtniselement 9 einer elften Ausführungsform. Im Übrigen wird auf die Vorbeschreibung, insbesondere die erste und die zehnte Ausführungsform verwiesen. Das Formgedächtniselement 9 ist aus einem Flachmaterial gebildet, beispielsweise gestanzt. Allerdings hat das Formgedächtniselement 9 dieser Ausführungsform im Querschnitt enge Abmessungen verglichen mit den Formgedächtniselementen 9 der Ausführungsformen vier und zehn.
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Das Formgedächtniselement 9 weist einen Ringkörper 24 auf, von dem spiralartig Strahlen 26 nach radial außen abstehen. Diese sind im Querschnitt dem Ringkörper 24 ähnlich bemessen. Auch bei der elften Ausführungsform gibt es die beiden Varianten, dass die Strahlen 26 in einem Formänderungszustand alle zu derselben axialen Extremposition gekrümmt sind, oder dass die Strahlen 26 abwechselnd zu entgegen gesetzten axialen Extrempositionen gekrümmt sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Pumpe
- 2
- Rotor
- 3
- Stirnfläche
- 4
- Deckelfläche
- 5
- Deckel
- 6
- Schaufeln
- 7
- Gehäuse
- 8
- Aktor
- 9
- Formgedächtniselement
- 10
- Ringfeder
- 11
- Mitnehmer
- 12
- Führung
- 13
- Rotor-Hauptkörper
- 14
- Rotor-Boden
- 15
- Bauraum
- 16
- Aufnahme
- 17
- Eckabschnitt
- 18
- Zwischenabschnitt
- 19
- Druckaufbauraum
- 20
- Formgedächtniselement
- 21
- halbkreisförmige Auskragung
- 22
- konvex verlaufende Krümmung
- 23
- konkav verlaufende Krümmung
- 24
- Ringkörper
- 25
- Auskragung
- 26
- Strahlen
- dp
- Differenzdruck
- eta
- Wirkungsgrad
- R
- Rotationsachse bzw. Hauptachse
- Vs
- Volumenstrom
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2016179619 A1 [0003]
- DE 102018107892 A1 [0004]
- DE 102015000805 B3 [0005]
- DE 102012208446 [0006]
- DE 19752372 A1 [0007]
