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Die Erfindung bezieht sich auf eine
Radialpumpe mit einem einer Hauptwelle zugeordneten Laufrad, einem
Gehäuse
mit einem Saugkanal und einem Druckkanal und einem zwischen dem
Laufrad und dem Gehäuse
ausgebildeten Spalt, wobei das Laufrad in axialer Richtung der Rotationsachse
X verstell- oder verschiebbar ist.
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Es ist bereits eine gattungsgemäß verstellbare
Kühlmittelpumpe
für Fahrzeuge
mit einem in einem Pumpengehäuse
angeordneten, von einer Antriebswelle angetriebenen Laufrad aus
der
DE 33 29 002 A1 bekannt.
Die Kühlmittelpumpe
weist ein den Kühlmittelförderstrom
in Abhängigkeit
von der Kühlmitteltemperatur
steuerndes Verstellelement auf. Das Laufrad oder das Pumpengehäuse sind
zueinander verstellbar ausgebildet und stehen derart mit dem Verstellelement
in Wirkverbindung, dass bei zunehmender Kühlmitteltemperatur der zwischen
den Radialschaufeln des Laufrads und dem Pumpengehäuse liegende
Spalt kleiner wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
gattungsgemäße Radialpumpe
derart auszubilden und anzuordnen, dass die Antriebsleistung der Pumpe
trotz minimaler hydraulischer Förderleistung und
Spaltverluste reduziert wird.
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Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch,
dass der Saugkanal in Strömungsrichtung unmittelbar
vor dem Laufrad durch eine Sperrvorrichtung verschließbar und/oder
drosselbar ist.
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Hierdurch wird erreicht, dass die
in axialer Richtung definierte wirksame Schaufelhöhe beeinflusst
werden kann und bei minimaler Schaufelhöhe kein Fluid im Spalt umgewälzt beziehungsweise
gefördert
wird. Der Saugkanal öffnet
sich erst durch Verschieben des Laufrads.
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Hierzu ist es vorteilhaft, dass ein
erster Teil der Sperrvorrichtung als Deckscheibe ausgebildet ist,
die mit dem Laufrad formschlüssig
in Wirkverbindung steht und den Saugkanal in radialer Richtung zum
Spalt hin verschließt.
Ein unerwünschtes
Durchströmen
des Spaltes durch das Fluid bei minimaler wirksamer Schaufelhöhe wird
verhindert.
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Eine zusätzliche Möglichkeit ist gemäß einer Weiterbildung,
dass die offenen Flanken der Laufradschaufeln in axialer Richtung
zumindest teilweise durch die Deckscheibe abdeckbar sind. Je nach
Position des Laufrads und somit nach Größe des Spalts bleibt ein hoher
Wirkungsgrad erhalten und Spaltverluste werden vermieden.
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Ferner ist es vorteilhaft, dass ein
zweiter Teil der Sperrvorrichtung als Deckring ausgebildet ist,
der formschlüssig
mit der Hauptwelle in Wirkverbindung steht und den Saugkanal axial
in Strömungsrichtung verschließt. Damit
wird erreicht, dass die wirksame Schaufelhöhe im Anströmbereich der Beschaufelung in
axialer Richtung regelbar ist.
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Vorteilhaft ist es hierzu auch, dass
der Außendurchmesser
des Deckrings kleiner als der Innendurchmesser der Laufradschaufeln
ist. Somit ist ein Verschieben des Laufrads gegenüber dem
Deckring möglich.
Der Ringspalt zwischen den Laufradschaufeln und dem Deckring ist
möglichst
klein zu halten.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Lösung ist
schließlich
vorgesehen, dass das Laufrad in Abhängigkeit der Ausdehnung eines
Thermoelements oder in Abhängigkeit
eines elektrischen Stellgliedes in axialer Richtung verschiebbar
ist. Dabei ist vorgesehen, dass beispielsweise das elektrische Stellglied
unabhängig oder
nicht proportional zur Temperaturveränderung des Fluids wirkt. Ein Öffnen des
Laufrads kann somit zum Beispiel zum Ablassen des Fluids erfolgen.
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von besonderer Bedeutung ist für die vorliegende
Erfindung, dass das Laufrad formschlüssig einer Welle zugeordnet
ist und die Welle auf der Hauptwelle gelagert und axial verstellbar
ist. Durch diese Anordnung ist für
den Verstellmechanismus zwischen Hauptwelle und Laufrad mehr Bauraum
geschaffen. Der Verstellmechanismus ist gegenüber dem Laufrad axial, entgegen
der Strömungsrichtung versetzt
im Saugkanal angeordnet.
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Im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Ausbildung
und Anordnung ist es von Vorteil, dass der Hauptwelle formschlüssig ein
Hauptdeckring zugeordnet ist, der in axialer Strömungsrichtung hinter dem Laufrad
vorgesehen ist und ein rotationssymmetrisches Innenvolumen aufweist.
Damit ist gewährleistet,
dass die wirksame Schaufelhöhe,
die in axialer Richtung definiert ist, auch am Schaufelaustritt
regelbar ist. Die gesamte wirksame Schaufelhöhe ermittelt sich somit aufgrund
der durch den Deckring im Schaufeleintritt und aufgrund der durch
den Hauptdeckring im Schaufelaustritt eingestellten Schaufelhöhe.
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Vorteilhaft ist es ferner, dass das
Laufrad in axialer Strömungsrichtung
in das durch den Hauptdeckring ausgebildete Innenvolumen verschiebbar ist,
wobei im Hauptdeckring wahlweise eine Tragscheibe mit Aussparungen
vorgesehen ist. Mit dem Hauptdeckring wird eine sehr einfache Verstellung am Schaufelaustritt
des Laufrads erreicht. Der Hauptdeckring weist eine zylindrische
Wandung auf und schließt
bei minimal wirksamer Schaufelhöhe
mit der Deckscheibe ab.
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Der Hauptdeckring nimmt in einer
besonderen Ausführungsform
eine Tragscheibe mit Aussparungen auf, die der Hauptwelle zugeordnet
ist. In den Aussparungen sind die Laufradschaufeln versenkbar. Die
nicht benötigten
Schaufelflächen
sind somit hydraulisch unwirksam. Das Fluid innerhalb des Hauptdeckrings
wird nicht in Rotation versetzt.
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Außerdem ist es vorteilhaft,
dass zwischen der Deckscheibe und dem Gehäuse eine Labyrinthdichtung
vorgesehen ist. Dadurch wird sichergestellt, dass das Eindringen
von Fluid in den Spalt und somit Spaltverluste vermieden werden.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten
der Erfindung sind in den Patentansprüchen und in der Beschreibung
erläutert
und in den Figuren dargestellt.
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Dabei zeigen:
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1 eine
Schnittansicht einer verstellbaren Radialpumpe bei maximal wirksamer
Schaufelhöhe – aktive
Stellung;
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2 eine
Schnittansicht einer verstellbaren Radialpumpe bei minimal wirksamer
Schaufelhöhe – passive
Stellung;
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3 eine
perspektivische Ansicht eines verstellbaren Laufrads;
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4 eine
Ansicht in Strömungsrichtung
S eines verstellbaren Laufrads;
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5 eine
Schnittansicht eines verstellbaren Laufrads bei minimaler Förderleistung;
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6 eine
Schnittansicht eines verstellbaren Laufrads bei maximaler Förderleistung.
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Am Beispiel eines verstellbaren Laufrads 3, dessen
Stellglied 4 als Wachspatrone ausgeführt ist, wird im Folgenden
der Aufbau und die Funktion des verstellbaren Laufrads 3 erläutert. Die
Stellung des verstellbaren Laufrads 3 hängt bei dieser Stellgliedvariante
von der Temperatur des Fluids ab. Das Stellglied 4 enthält eine
Wachspatrone, deren Wachsfüllung
sich mit steigender Temperatur zunehmend in axialer Richtung ausdehnt.
Diese axiale Bewegung ΔX
wird auf eine Schubstange 4.1 übertragen, die wiederum die
Verstellung des Laufrads 3 bewirkt.
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In 1 ist
eine Schnittansicht einer verstellbaren Radialpumpe 1 bei
maximal wirksamer Schaufelhöhe
dargestellt. Auf einer Hauptwelle 2 ist das Laufrad 3 und
die Welle 3.4 des Laufrads 3 drehbar gelagert.
Die welle 3.4 ist gemeinsam mit dem Laufrad 3 in
axialer Richtung auf der Hauptwelle 2 verschiebbar. Die
Verschiebung ΔX
wird durch ein sich an der Hauptwelle 2 abstützendes
Thermoelement 4 bewirkt. Das Thermoelement 4 wirkt über eine
thermisch in axialer Richtung verschiebbare Schubstange 4.1 und
einen Adapter 3.5 auf eine Kompensationsfeder 3.6. Über die
Kompensationsfeder 3.6 wird die thermische Ausdehnung auf
die welle 3.4 und das Laufrad 3 übertragen.
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Eine Temperaturveränderung
des im Saugkanal 1.2 befindlichen Fluids führt zu einer
Ausdehnung der im Thermoelement 4 befindlichen Wachspatrone
und zu einer Verschiebung ΔX
der Schubstange 4.1. Diese Verschiebung ΔX wird auf
den Adapter 3.5 und über
die Kompensationsfeder 3.6 auf die Welle 3.4 und
somit auf das Laufrad 3 übertragen. Ein Überhub der
Wachspatrone 4 infolge höherer Fluidtemperatur wird
durch die Kompensationsfeder 3.6 ausgeglichen.
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Bei abkühlendem Fluid führt eine
Rückstellfeder 2.1 zwischen
der Hauptwelle 2 und der Welle 3.4 zu einer der
Erwärmung
entgegengesetzten Verschiebung ΔX.
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Die Hauptwelle 2 ist über eine
Axial-Gleitringdichtung 2.2 gegenüber dem Gehäuse 1.1' abgedichtet und über ein
Lager 2.3 im Gehäuse 1.1' fliegend gelagert.
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An der Hauptwelle 2 ist
ein Deckring 6.2 befestigt, dessen Außendurchmesser 6.3 kleiner
als der durch die Laufradschaufeln 3.1 gebildete Innendurchmesser 3.3 ist.
Der Deckring 6.2 ist zwischen der Welle 3.4 und
den Laufradschaufeln 3.1 angeordnet und verschließt in Strömungsrichtung
S den Bereich zwischen den Laufradschaufeln 3.1 und der welle 3.4.
Somit dringt in der, entsprechend 2 passiven
Stellung des Laufrads 3 kein oder nahezu kein Fluid in
den radialen Ansaugbereich der Laufradschaufeln 3.1. Das
Laufrad 3 bewegt sich zwischen dem Deckring 6.2 und
einem Absatz 2.4 der Hauptwelle 2.
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Auf den freien Flanken 3.2 der
Laufradschaufeln 3.1 ist über den gesamten Umfang eine Deckscheibe 6.1 vorgesehen,
die die Laufradschaufeln 3.1 in axialer Richtung abdeckt.
Die Deckscheibe 6.1 verläuft in einem etwa L-förmigen Profil
entgegen der Strömungsrichtung
S, koaxial zur Welle 3.4. Sowohl in der aktiven Stellung
des Laufrads 3 gemäß 1 als auch in der passiven
Stellung des Laufrad 3 gemäß 2 schließt die Deckscheibe 6.1 mit
dem Gehäuse 1.1 ab
und verschließt
den Saugkanal 1.2 in radialer Richtung.
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Das Fluid strömt somit in der aktiven Stellung des
Laufrads 3 vom Saugkanal 1.2 ausschließlich in die
Beschaufelung des Laufrads 3. In der passiven Stellung
des Laufrads 3 strömt
das Fluid weder am Laufrad 3 beziehungsweise an den Laufradschaufeln 3.1 im
Spalt 5 vorbei noch von der Welle 3.4 her in die Laufradschaufeln 3.1 hinein.
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Das Laufrad 3 wird in dieser
Stellung durch einen Hauptdeckring 6.4 aufgenommen, der
mit seiner zylinderförmigen
Außenwandung
das Laufrad 3 umgibt und mit der Hauptwelle 2 drehfest
verbunden ist. Durch diese Ausgestaltung des Laufrads 3 innerhalb
des Hauptdeckrings 6.4 und durch die Funktion von Deckscheibe 6.1 und
Deckring 6.2 wird die Antriebsleistung der Pumpe trotz
minimaler hydraulischer Förderleistung
reduziert. Der im Stand der Technik nachteilige Spalt 5 zwischen
dem Gehäuse 1.1 und
dem Laufrad 3 ist gegen das Eindringen von Fluid geschlossen.
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In 3 ist
ein verstellbares Laufrad 3 perspektivisch von der dem
Fluid abgewandten Seite dargestellt, wie es in den 5 und 6 näher beschrieben ist.
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4 zeigt
die Draufsicht eines verstellbaren Laufrads 3 in Strömungsrichtung
S. Die hohle Hauptwelle 2 wird in dieser Ansicht von der
Welle 3.4 und in radialer Richtung folgend vom Deckring 6.2 umgeben.
Auf den Deckring 6.2 folgt in radialer Richtung die Deckscheibe 6.1.
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5 zeigt
eine Schnittansicht A-A' eines verstellbaren
Laufrads 3 in einer passiven Stellung. In Strömungsrichtung
S endet der Saugkanal 1.2 am Deckring 6.2. In
radialer Richtung wird der Saugkanal 1.2 durch die Deckscheibe 6.1 begrenzt.
In dieser Stellung wird kein Fluid gefördert. Der Hauptdeckring 6.4 bildet
zusammen mit der Deckscheibe 6.1 und dem Deckring 6.2 einen
geschlossenen Rotationskörper
auf der Welle 3.4. Innerhalb des Hauptdeckrings 6.4 ist
eine Tragscheibe 2.5 mit Aussparungen 2.6 vorgesehen.
In die Aussparungen 2.6 sind die Laufradschaufeln 3.1 versenkbar.
Die nicht benötigten
Schaufelflächen
sind somit hydraulisch unwirksam. Das Fluid innerhalb des Rotationskörpers nimmt
keine hydraulische Arbeit auf. Die Tragscheibe 2.5 als
Bestandteil der Hauptwelle 2 dient zum Verschrauben des
Deckrings 6.2 in mehreren Innengewinden 6.6' und des Hauptdeckrings 6.4 in
mehreren Innengewinden 6.6.
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In der Schnittansicht A-A' eines verstellbaren Laufrads
in einer aktiven Stellung gemäß 6 wird der Saugkanal 1.2 in
radialer Richtung durch Verschieben des Laufrads 3 mit
der Deckscheibe 6.1 freigegeben. Das Laufrad 3 verfährt aus
dem durch den Deckring 6.2 verschlossenen Bereich in einen Bereich
vor den Deckring 6.2. Der Saugkanal 1.2 endet
im Ansaugbereich der Laufradschaufeln 3.1. Zwischen der
Deckscheibe 6.1 und dem Hauptdeckring 6.4 wird
der Druckkanal 1.3 geöffnet.
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Bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Radialpumpe 1 als
Kühlmittelpumpe
in einem Kraftfahrzeug ergibt sich folgende Funktionsweise.
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Gemäß den 2 und 5 ist
das Laufrad 3 geschlossen. Solange die Temperatur des Kühlmittels
kleiner als ca. 80°C
ist, erzeugt die Wachspatrone 4 keine Verschiebung ΔX für die Verstellung
des Laufrads 3. Das Laufrad 3 verschließt also
während der
Warmlaufphase des Motors den Kühlmittelkreislauf.
Dadurch wird die Warmlaufphase verkürzt. Die mechanische Antriebsleistung
der Radialpumpe 1 verringert sich erheblich, weil kein
Fluid gefördert wird.
Dazu trägt
das Versenken der Laufradschaufeln 3.1 in die Aussparungen 2.6 der
Tragscheibe 2.5 wesentlich bei. Spaltverluste werden durch
die Deckscheibe 6.1 und den Hauptdeckring 6.4 größtenteils vermieden.
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Bei Erwärmung des Fluids auf eine Temperatur
größer als
ca. 80°C
dehnt sich die Wachspatrone 4 in axialer Richtung aus und öffnet somit
teilweise das Laufrad 3. Bei einer Temperatur größer als
ca. 95°C
ist das Laufrad vollständig
geöffnet.
Ein Überhub
der Wachspatrone 4 infolge höherer Temperaturen des Fluids
werden durch eine Kompensationsfeder 3.6 ausgeglichen.
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Insgesamt entfallen durch das verschließbare Laufrad 2 das
im Kraftfahrzeugbereich konventionelle Thermostatventil und der
Kurzschluss-Kühlkreislauf.
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- 1
- Radialpumpe
- 1.1
- Gehäuse
- 1.1'
- Gehäuse
- 1.2
- Saugkanal
- 1.3
- Druckkanal
- 2
- Hauptwelle
- 2.1
- Rückstellfeder
- 2.2
- Axial-Gleitringdichtung
- 2.3
- Lager
- 2.4
- Absatz
- 2.5
- Tragscheibe
- 2.6
- Aussparung
- 3
- Laufrad
- 3.1
- Laufradschaufel
- 3.2
- Flanken
- 3.3
- Innendurchmesser
- 3.4
- Welle
- 3.5
- Adapter
- 3.6
- Kompensationsfeder
- 4
- Thermoelement,
Stellglied, Wachspatrone
- 4.1
- Schubstange
- 5
- Spalt
- 6
- Sperrvorrichtung
- 6.1
- Deckscheibe
- 6.2
- Deckring
- 6.3
- Außendurchmesser
- 6.4
- Hauptdeckring
- 6.5
- Innenvolumen
- 6.6
- Bohrung
mit Innengewinde
- 6.6'
- Bohrung
mit Innengewinde