DE19654092A1 - Vorrichtung zum Regeln des Massendurchsatzes eines fluiden Mediums durch eine Kanalleitung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Regeln des Massendurchsatzes eines fluiden Mediums durch eine Kanalleitung, mit einem in den Strömungsquerschnitt eingebrachten Strömungsaktuator, der in Abhängigkeit des Wärme- bzw. Temperaturniveaus des Mediums den Massendurchsatz bestimmt.

Bekannte Anordnungen zur Kühlung von z. B. Verbrennungsmotoren bestehen typischerweise aus einem Kühlmittelkreislauf zwischen einer Wärmequelle (z. B. Motor) und einer Wärmesenke (z. B. Kühler), der durch eine Kühlmittelpumpe in Gang gehalten wird. Üblicherweise wird die Kühlmittelpumpe, die typischerweise als Kreiselpumpe ausgebildet ist, z. B. über einen Keilriemen von der Motorwelle angetrieben, so daß die Drehzahl der Kühlmittelpumpe direkt von der Drehzahl des Motors abhängt. Der Massendurchsatz des Kühlmediums ist daher nicht von dessen Temperatur sondern von der Motordrehzahl abhängig.

Die Kühlleistung eines Kühlkreislaufes hängt wesentlich vom Massendurchsatz des Kühlmediums ab. Daraus ergeben sich bei drehzahlabhängigem Massendurchsatz der Kühlmittelpumpe folgende Nachteile. Da der Massendurchsatz der Kühlmittelpumpe so hoch ausgelegt werden muß, daß auch bei extremen Betriebszuständen (z. B. lange Bergauffahrt eines Kraftfahrzeugs bei hoher Umgebungstemperatur) ausreichend Kühlleistung vorhanden ist, ist der Massendurchsatz der Kühlmittelpumpe für den Normalbetrieb überdimensioniert. Dies erfordert dann im Normalbetrieb entweder Drosselung oder Kurzschluß des Kühlmittelstroms um eine Überkühlung des Motors zu vermeiden und bewirkt dadurch einen Verlust nutzbarer Energie.

Ein Antrieb der Kühlmittelpumpe mittels Elektromotor, dessen Drehzahl über einen Thermostat in Abhängigkeit von der Temperatur des Kühlmittels geregelt wird, ermöglicht eine temperaturabhängige Regelung des Massendurchsatzes des Kühlmittels, ist aber wegen der erforderlichen zusätzlichen Bauteile technisch aufwendig und verursacht erhebliche Mehrkosten gegenüber dem herkömmlichen direkten Antrieb über Keilriemen. Außerdem treten bei dieser Lösung durch die erforderliche zweifache Energieumwandlung von Rotationsenergie in elektrische Energie und zurück Verluste von nutzbarer Energie auf.

Aus der DE 33 29 002 C2 geht eine Kühlmittelpumpe an einer Brennkraftmaschine für insbesondere Fahrzeuge hervor, die durch einen von einem temperaturabhängigen Stellglied betätigten Verstellkörper den zwischen den Radialschaufeln und dem Pumpengehäuse befindlichen Spalt steuert. Bei dieser Lösung wird durch die temperaturabhängige Verformung einer Bimetallscheibe bzw. eines Dehnstoffelements eine axiale Verschiebung des Pumpenrades und damit eine Veränderung der Spaltweite bewirkt. Bei niedriger Temperatur des Kühlmittels wird der genannte Spalt weit geöffnet, so daß ein Teil des Kühlmittels vom Stauraum direkt in den Saugraum der Pumpe zurückfließen kann und somit die Förderleistung der Pumpe verringert wird. Mit dieser Lösung sind jedoch Nachteile verbunden. Durch das Bimetall bzw. das Dehnstoffelement, die Rückstellfeder und die axial verschiebbare Lagerung des Pumpenrades entsteht zusätzlicher mechanischer Aufwand. Die für die Verschiebbarkeit des Pumpenrades erforderlichen Gleitflächen und die Rückstellfeder unterliegen einem Verschleiß und verursachen einen Wartungsaufwand. Bei weit geöffnetem Spalt entsteht ein großer Verluststrom zwischen Stauraum und Saugraum der Pumpe, der den Wirkungsgrad der Pumpe erheblich verschlechtert.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde eine Vorrichtung zu schaffen, die eine Regelung des Massendurchsatzes des Kühlmittelpumpe in Abhängigkeit von der Temperatur des Kühlmittels mit geringem technischen Aufwand und niedrigen Kosten erlaubt um Verluste nutzbarer Energie zu vermindern. Darüber hinaus sollte die Vorrichtung wartungsfrei und möglichst verschleißarm sein.

Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegeben. Zusätzliche, vorteilhafte Merkmale, die den Erfindungsgedanken ergänzen, sind in den weiteren Ansprüchen enthalten.

Die genannten Anforderungen können durch eine Vorrichtung erfüllt werden, bei der der Anstellwinkel der Laufradschaufeln der Kühlmittelpumpe in Abhängigkeit der Temperatur des Kühlmittels verändert wird. Dies wird dadurch bewerkstelligt, daß das Laufrad aus einem sich temperaturabhängig verformenden Material, insbesondere einem Bimetall oder einem Shape-memory- Material, gefertigt wird. Die Vorrichtung ist dabei so ausgelegt, daß bei niedrigem Temperaturniveau des Kühlmittels durch einen flachen bzw. kleinen Anstellwinkel der Laufradschaufeln der Massendurchsatz des Kühlmediums verringert wird, was die Energieaufnahme der Kühlmittelpumpe vermindert und auch zu einem schnelleren Erreichen der Betriebstemperatur insbesondere in der Kaltstartphase beiträgt. Bei hohem Temperaturniveau hingegen wird durch einen steilen bzw. großen Anstellwinkel der Laufradschaufeln der Massendurchsatz des Kühlmediums erhöht. Das Laufrad kann dabei in axialer, halbaxialer oder radialer Bauart ausgeführt sein. Durch geeignete Wahl der Art und Schichtdicke des Materials sowie durch die Formgebung kann das Ausmaß der temperaturabhängigen Verformung an die Erfordernisse des jeweiligen Kühlkreislaufes angepaßt werden.

Die Vorrichtung kann durch dem Laufrad vorgeordnete Leitschaufeln ergänzt werden, die aus einem sich temperaturabhängig verformenden Material, insbesondere einem Bimetall oder einem Shape-memory-Material, gefertigt sind und in Abhängigkeit der Temperatur des fluiden Mediums den Anstellwinkel zu dessen Strömungsrichtung verändern. Leitschaufeln dienen dazu ein zu förderndes Medium vor Eintritt in das Laufrad in Vordrall zu versetzen und ermöglichen dadurch die Förderleistung des Strömungsaktuators zu beeinflussen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen, die in den folgenden Zeichnungen dargestellt wird, beschrieben.

Es zeigen: Fig. 1 eine Kreiselpumpe mit radialem Laufrad bei hoher Temperatur des Kühlmittels, Fig. 2 eine Kreiselpumpe mit radialem Laufrad bei niedriger Temperatur des Kühlmittels, Fig. 3 eine Kreiselpumpe mit axialem Laufrad bei niedriger Temperatur des Kühlmittels und Fig. 4 eine Kreiselpumpe mit axialem Laufrad bei hoher Temperatur des Kühlmittels.

In Fig. 1 ist ein Pumpengehäuse 1 mit radialem Laufrad dargestellt. Das Laufrad besteht aus einer Scheibe 2 mit mittiger Nabe 3 und den Schaufeln 4. Die Schaufeln sind an einem Ende fest mit der Nabe verbunden. Die Schaufeln sind aus einem Bimetall gefertigt, dessen aktive Komponente, d. h. die Metallschicht mit dem höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten 5, auf der inneren Seite der Krümmung der Schaufel aufgebracht ist.

Fig. 2 zeigt dieselbe Kreiselpumpe wie Fig. 1 aber bei niedrigerer Temperatur. Die Schaufeln sind stärker gekrümmt als in Fig. 1, was den Anstellwinkel verringert und damit die Förderleistung und die Leistungsaufnahme der Pumpe reduziert.

In Fig. 3 ist eine Kanalleitung 6 mit axialem Laufrad dargestellt. Das Laufrad besteht aus einer mittigen Nabe 7 und den Schaufeln 8. Die Schaufeln sind aus einem Bimetall derart gefertigt, daß auf einem Blech aus dem Material der aktiven Komponente 10 sowohl auf der Oberseite als auch auf der Unterseite Streifen der passiven Komponente 9 aufgebracht werden, die die Schaufel nur teilweise überdecken. Analog können auch auf einem Blech der passiven Komponente Streifen der aktiven Komponente aufgebracht werden.

Fig. 4 zeigt dieselbe Vorrichtung wie Fig. 2 aber bei höherer Temperatur. Die in der Zeichnung dargestellte Anordnung von aktiven und passiven Komponenten bewirkt, daß die Schaufeln bei Temperaturänderungen an der Vorder- und Hinterkante in unterschiedliche Richtungen gekrümmt werden.

Claims (12)

1. Vorrichtung zum Regeln des Massendurchsatzes eines fluiden Mediums durch eine Kanalleitung, mit einem in den Strömungsquerschnitt eingebrachten Strömungsaktuator, der in Abhängigkeit des Wärme- bzw. Temperaturniveaus des Mediums den Massendurchsatz bestimmt, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Form des Strömungsaktuators in Abhängigkeit von der Temperatur des flüssigen Mediums änderbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das fluide Medium Kühlflüssigkeit für den Betrieb von Verbrennungsmotoren ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsaktuator eine Form besitzt, mit der eine kontrollierbare Förderung fluider Medien in einer Kanalleitung möglich ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsaktuator eine propellerförmige Gestalt aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsaktuator den Massendurchsatz durch Veränderung des Anstellwinkels der Propellerblätter bestimmt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsaktuator aus temperaturempfindlichen Material besteht, das die Formgebung in Abhängigkeit der Temperatur ändert.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Material Bimetall oder ein Material mit Shape-memory- Effekt ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Shape-memory-Material eine Ni-Ti-Legierung ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsaktuator motorisch in Rotation versetzt ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Umdrehungszahl des Strömungsaktuators weitgehend konstant ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß dem Strömungsaktuator eine Strömungsumlenkeinheit vorgeordnet ist, die die Strömung umleitende Flächenelemente aufweist, deren äußere Form in Abhängigkeit der Temperatur des flüssigen Mediums änderbar ist.

12. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 für den Einsatz als Förderpumpe in den Kühlkreislauf eines Verbrennungsmotors, dadurch gekennzeichnet, daß der Massendurchsatz bei erhöhtem Temperaturniveau gesteigert und bei niedrigem Temperaturniveau gesenkt wird.