DE19638185A1

DE19638185A1 - Wasserpumpe

Info

Publication number: DE19638185A1
Application number: DE19638185A
Authority: DE
Inventors: Yuji Nomoto
Original assignee: Unisia Jecs Corp
Current assignee: Hitachi Unisia Automotive Ltd
Priority date: 1995-09-20
Filing date: 1996-09-18
Publication date: 1997-03-27
Also published as: US5749707A; KR970016144A; JPH0988887A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Wasserpumpen, um einen Kühlwasser-Zwangsumlauf, etwa in Zylindermänteln von Ver brennungsmaschinen für Kraftfahrzeuge, sicherzustellen.

Eine bekannte Wasserpumpe ist etwa in JP-U 3-77096 beschrie ben. Bei Wasserpumpen wird aufgrund des Pumpenwirkungsgrades die Form des Flügels bzw. der Radschaufel derart festgelegt, daß ein Kollisionsverlust vermieden wird, wenn Kühlwasser in das Innere der Wasserpumpe strömt. Die Form der Flügel wird bekanntermaßen derart ausgestaltet, daß nur ein kreisförmi ger Bogen bis zu einem Punkt A des Basisendes verlängert wird. Der kreisförmige Bogen verbindet einen Punkt B des Innenendes und einen Punkt C des Außenendes. Detaillierter ausgedrückt, wird der Neigungswinkel B des kreisförmigen Bogens, das heißt der Einlaßwinkel des Flügels durch die folgende Gleichung ermittelt:

wobei r_B den Radius, welcher von der Mitte eines Rotorhaupt elementes zum Innenende des Flügels verläuft, v_Θ eine Durch schnitts-Strömungsgeschwindigkeit des Kühlwassers nahe dem Innenende des Flügels und n die Umdrehungszahl des Flügels bezeichnet. Der Neigungswinkel des den Punkt B und den Punkt A verbindenden kreisförmigen Bogens wird derart festgelegt, daß er dem Neigungswinkel b entspricht, welcher durch obige Gleichung erhalten wird.

Somit entspricht der Neigungswinkel eines Endbereiches, wel cher das Innenende und das Basisende verbindet, nicht immer dem Einströmwinkel des Kühlwassers, wodurch ein Pumpenver lust erzeugt werden kann.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Wasserpumpe zu schaffen, welche eine Verringerung des Pumpenverlustes erzielt.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruches 1 oder 3 gelöst; die Unteransprüche haben bevorzugte Ausgestaltungs formen der Erfindung zum Inhalt.

Entsprechend einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Wasserpumpe geschaffen, mit:
einem Gehäuse mit einem Ende, welches mit einer Einlaßöff nung für Kühlwasser ausgebildet ist;
einer Antriebswelle, welche durch das Gehäuse hindurchläuft; und
einem Flügelrad, welches auf der Antriebswelle an deren ei nem Ende angeordnet ist, wobei das Flügelrad ein Rotorhaupt element und Flügel aufweist, welche von einer Endfläche des Rotorhauptelementes vorstehend und radial angeordnet sind, wobei jeder Flügel einen Einlaßbereich, welcher der Einlaß öffnung des Gehäuses zugewandt ist, und ein inneres Ende aufweist, welches im wesentlichen senkrecht zur Kühlwasser strömungsrichtung von der Einlaßöffnung zum Innenumfang je des Flügels angeordnet ist, wobei der Einlaßbereich einen Kreisbogen mit einem Neigungswinkel beschreibt, welcher im wesentlichen einem Einströmwinkel des Kühlwassers ent spricht.

Entsprechend einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfin dung wird ein Flügelrad für eine Wasserpumpe mit einem Ge häuse geschaffen, welches eine Einlaßöffnung für Kühlwasser aufweist, wobei das Laufrad folgende Elemente umfaßt:
ein Rotorhauptelement; und
Flügel, welche von einer Endfläche des Rotorhauptelementes vorstehend und radial angeordnet sind sowie einen Einlaß bereich, welcher der Einlaßöffnung des Gehäuses zugewandt ist und ein inneres Ende aufweisen, welches im wesentlichen senkrecht zur Kühlwasserströmungsrichtung von der Einlaßöff nung zum Innenumfang jedes Flügels angeordnet ist, wobei der Einlaßbereich einen Kreisbogen mit einem Neigungswinkel auf weist, welcher im wesentlichen dem Einströmwinkel des Kühl wassers entspricht.

Ein primärer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht da rin, daß aus der Einlaßöffnung strömendes Kühlwasser nicht mit dem Einlaßbereich des Flügels zusammenstößt, da der Ein laßbereich des Flügels einen Kreisbogen mit einem Neigungs winkel aufweist, welcher im wesentlichen dem Einströmwinkel des Kühlwassers, das heißt einem kollisionsfreien Einström winkel entspricht, wodurch eine Verbesserung des Pumpenwir kungsgrades erzielt wird.

Zum zweiten bietet die vorliegende Erfindung den Vorteil, daß der Auslaßbereich des Flügels einen Kreisbogen mit einem Neigungswinkel aufweist, welcher demjenigen des Kreisbogens des Einlaßbereiches des Flügels entspricht.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles der erfindungsgemäßen Wasserpumpe in Verbindung mit der bei gefügten Zeichnung ersichtlich. Es zeigt:

Fig. 1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer die vorliegende Erfindung aufweisenden Wasserpumpe;

Fig. 2 eine Vorderansicht eines Flügelrades der Wasserpum pe;

Fig. 3 eine vergrößerte Teilansicht von Fig. 1; und

Fig. 4 eine schematische Darstellung zum Erläutern des Grundprinzips der erfindungsgemäßen Wasserpumpe.

Eine insbesondere in Fig. 1 dargestellte und die vorliegende Erfindung aufweisende Wasserpumpe hat im wesentlichen den gleichen Aufbau wie die bekannte, etwa in JP-U 3-77096 be schriebene Wasserpumpe. Sie umfaßt ein Pumpengehäuse 1 mit einer darin ausgebildeten Pumpenkammer 2 und eine Antriebs welle 3, welche in einem nicht dargestellten und im Pumpen gehäuse 1 angeordneten Lager drehbar gestützt ist. Die An triebswelle 3 rotiert synchron mit einem nicht dargestellten Motor. Zudem ist ein Flügelrad 11 an einem Ende der An triebswelle 3 befestigt.

Eine Kühlwasser-Einlaßöffnung 5 ist am Pumpengehäuse 1 an dessen Vorderseite angeordnet, so daß von einem nicht dar gestellten Kühler zurückfließendes Kühlwasser in die Mitte des Flügelrades 11 in Axialrichtung der Antriebswelle 3 strömt. Andererseits ist eine Kühlwasser-Auslaßöffnung 6 am Außenumfang des Flügelrades 11 ausgebildet.

Das Flügelrad 11 weist ein Rotorhauptelement 12 mit einem mittleren Bereich 12a, welcher an der Antriebswelle 3 befe stigt ist, und Flügel 13 auf, welche von einer vorderen End fläche des Rotorhauptelementes 12 vorstehend und radial an geordnet sind. Jeder Flügel 13 ist kreisbogenförmig in Ein strömrichtung des Kühlwassers. Wenn somit das Flügelrad 11 durch die Antriebswelle 3 gedreht wird, strömt das Kühlwas ser von der Einlaßöffnung 5 zwangsweise zur Auslaßöffnung 6 mittels einer Innenfläche des Flügels 13, wodurch ein Pump vorgang erzielt wird.

Wie insbesondere aus den Fig. 2 und 3 ersichtlich wird, ist jeder Flügel derart aufgebaut, daß ein der Einlaßöffnung 5 zugewandter Einlaßbereich 14 und ein am Außenumfang des Ro torhauptelementes 12 befindlicher Auslaßbereich 15 kreisbo genförmig mit kollisionsfreiem Einströmwinkel und gleicher Krümmung ausgebildet sind.

Wie Fig. 3 am deutlichsten zeigt, weist der Einlaßbereich 14 ein inneres Ende 14a auf, welches zu seinem äußeren Durch messerbereich geneigt ist, so daß es im wesentlichen senk recht zur Kühlwasserströmungsrichtung von der Einlaßöffnung 5 zum Flügel 13, wie durch den Pfeil in Fig. 3 dargestellt, ausgerichtet ist. Demzufolge ist ein Punkt A des inneren Umfangsbereiches 14b auf dem Umfang eines kleinen Kreises mit dem Radius r_A positioniert, wohingegen ein Punkt B eines äußeren Umfangsbereiches 14c auf dem Umfang eines mittleren Kreises mit Radius r_B angeordnet ist. Des weiteren ist der innere Umfangsbereich 14b entlang einer Tangentiallinie X des kleinen Kreises mit Radius r_A, wie in Fig. 2 darge stellt, ausgebildet, wogegen der äußere Umfangsbereich 14c entlang einer Tangentiallinie Y des mittleren Kreises mit Radius r_B ausgestaltet ist. Das heißt, ein Winkel a wird bezüglich der Tangentiallinie X am Punkt A derart festge legt, daß der Winkel durch die Gleichung tana=V/U erzielt wird, wobei, wie in den Fig. 2 und 4 dargestellt, V die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlwassers und U dessen Umfangsgeschwindigkeit am Punkt A darstellt. Das heißt, der Winkel entspricht dem Einströmwinkel α des Kühlwassers oder einem kollisionsfreien Einströmwinkel. Analog wird ein Winkel b bezüglich der Tangentiallinie Y am Punkt B als kollisionsfreier Einströmwinkel festgelegt, welcher durch tanb=V/U erzielt wird.

In den Fig. 2 und 3 weist der Auslaßbereich 15 ein äußeres Ende 15a auf, welches in Axialrichtung des Rotorhauptele mentes 12 ausgebildet ist. Ein Punkt C eines äußeren Um fangsbereiches des äußeren Endes 15a ist auf dem Umfang ei nes großen Kreises mit Radius r_C oder auf dem Außenumfang des Rotorhauptelementes 12 positioniert. Ein Winkel c wird bezüglich einer Tangentiallinie Z am Punkt C als kollisions freier Einströmwinkel analog dem Winkel b bezüglich der Tan gentiallinie Y am Punkt B festgelegt. Der Auslaßbereich 15 weist einen Kreisbogen auf, welcher sich zu einem Kreisbogen fortsetzt, der den Punkt A und den Punkt B verbindet, wobei die beiden Kreisbögen den gleichen Krümmungsradius haben.

Im folgenden wird mit Hilfe von Formeln die Bestimmung der Krümmung R1 des die Punkte A und B verbindenden Kreisbogens und der Krümmung R des die Punkte B und C verbindenden Kreisbogens beschrieben.

Zuerst werden der Radius r_A des kleinen Kreises des Flügels 13 und dessen Radius r_B des mittleren Kreises, wie in Fig. 2 dargestellt, ermittelt. Der Kreisbogen mit Radius R1 wird durch den Punkt Dp1, R1 und Dp1 beschrieben, wobei der Radi us R1 und Dp1 durch die folgenden Gleichungen erzielt werden:

Es wird angenommen, daß der Radius R1 die Krümmung des Kreisbogens darstellt, welcher den Punkt A und den Punkt B verbindet. Zudem wird angenommen, daß der Kreisbogen mit Radius R1 und der mittlere Kreis mit Radius r_B sich am Punkt B schneiden und der Kreisbogen mit Radius R1 und der kleine Kreis mit Radius r_A sich am Punkt A schneiden.

Als nächstes wird ein Kreisbogen mit Radius R durch einen Punkt Dp, R und Dp beschrieben, welche durch folgende Gleichungen erzielt werden:

Es wird angenommen, daß der Radius R die Krümmung des Kreis bogens darstellt, welcher die Punkte B und C verbindet.

Der Einlaßwinkel a des Flügels 13, welcher an einem Schnitt punkt des den Punkt B und C verbindenden Kreisbogens mit dem kleinen Kreis mit Radius r_A ausgebildet wird, ergibt sich wie folgt:

wobei v_Θ die Durchschnittsströmungsgeschwindigkeit des Kühl wassers in der Nähe des inneren Endes 14a des Flügels 13 darstellt. Der durch die obige Formel erhaltene Einlaßwinkel a ist größer als der bekannte bzw. herkömmliche Einlaßwinkel b, wie oben beschrieben wurde, und bildet einen kollisions freien Einströmwinkel.

Somit kollidiert, entsprechend diesem Ausführungsbeispiel, das Kühlwasser nicht mit dem Einlaßbereich 14 des Flügels 13 zwischen dem Punkt A und dem Punkt B, wenn das Flügelrad 11 durch die Antriebswelle 3 gedreht wird, um eine Kühlwasser strömung von der Einlaßöffnung 5 zum Flügelrad 11 zu bewir ken. Folglich weist die Wasserpumpe einen geringeren Kühl wasser-Kollisionsverlust auf, so daß der Pumpenwirkungsgrad verbessert wird.

Des weiteren wird das Kühlwasser gleichmäßig vom Auslaßbe reich 15 zur Auslaßöffnung 6 entlang der Innenfläche des Flügels 13 mit vermindertem Kollisionsverlust abgeführt, da der Auslaßbereich 15 zwischen dem Punkt B und dem Punkt C einen zum Kreisbogen des Einlaßbereiches 14 fort laufenden Kreisbogen aufweist, so daß der Pumpenwirkungsgrad weiter verbessert wird.

Zusammenfassend betrifft die Erfindung eine Wasserpumpe mit einem Flügelrad 11, welches ein Rotorhauptelement 12 und Flügel 13 aufweist, die von einer Endfläche des Rotorhaupt elementes 12 vorstehend und radial angeordnet sind. Jeder Flügel 13 weist einen Einlaßbereich 14, welcher einer Ein laßöffnung 5 eines Gehäuses 1 zugewandt ist und ein inneres Ende auf, welches im wesentlichen senkrecht zur Kühlwasser- Strömungsrichtung von der Einlaßöffnung 5 zum Innenumfang 14b jedes Flügels 13 angeordnet ist. Der Einlaßbereich 14 des Flügels 13 umfaßt einen Kreisbogen mit einem Neigungs winkel, welcher im wesentlichen einem Einströmwinkel des Kühlwassers entspricht.

Obgleich die vorliegende Erfindung mit dem bevorzugten Aus führungsbeispiel beschrieben wurde, ist sie nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt und verschiedene Änderungen und Modifikationen können durchgeführt werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

1. Wasserpumpe, mit:
einem Gehäuse (1), dessen eines Ende mit einer Einlaßöff nung (5) für Kühlwasser ausgebildet ist;
einer Antriebswelle (3), welche durch das Gehäuse (1) hindurchläuft; und
einem Flügelrad (11), welches an einem Ende der Antriebs welle (3) befestigt ist, wobei das Flügelrad (11) ein Ro torhauptelement (12) und Flügel (13) aufweist, die von einer Endfläche des Rotorhauptelementes (12) vorstehend und radial angeordnet sind sowie einen der Einlaßöffnung (5) des Gehäuses (1) zugewandten Einlaßbereich (14) und ein inneres Ende (14a) aufweisen, wobei das innere Ende (14a) im wesentlichen senkrecht zur Kühlwasser-Strömungs richtung von der Einlaßöffnung (5) zum Innenumfang jedes Flügels (13) angeordnet ist und wobei jeder Einlaßbereich (14) einen Kreisbogen mit einem Neigungswinkel aufweist, der im wesentlichen einem Einströmwinkel des Kühlwassers entspricht.

2. Wasserpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Flügel (13) einen Auslaßbereich (15) mit einem Kreisbogen mit Neigungswinkel aufweist, welcher im we sentlichen dem Neigungswinkel des Kreisbogens des Einlaß bereiches (14) entspricht.

3. Flügelrad (11) für eine Wasserpumpe mit einem Gehäuse (1), welches eine Auslaßöffnung (5) für Kühlwasser auf weist, wobei das Flügelrad (11) folgende Elemente umfaßt:
ein Rotorhauptelement (12); und
Flügel (13), welche an einer Endfläche des Rotorhauptele mentes (12) vorstehend und radial angeordnet sind und ei nen der Einlaßöffnung (5) des Gehäuses (1) zugewandten Einlaßbereich (14) sowie ein inneres Ende (14a) aufwei sen, welches im wesentlichen senkrecht zur Kühlwasser- Strömungsrichtung von der Einlaßöffnung (5) zum Innen umfang jedes Flügels (13) angeordnet ist, wobei der Ein laßbereich (14) einen Kreisbogen mit einem Neigungswinkel aufweist, welcher im wesentlichen einem Einströmwinkel des Kühlwassers entspricht.

4. Flügelrad nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Flügel (13) einen Auslaßbereich (15) mit einem Kreisbogen mit Neigungswinkel aufweist, welcher im we sentlichen dem Neigungswinkel des Kreisbogens des Einlaß bereiches (14) entspricht.