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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Flüssigkeitszufuhrvorrichtung, die an einem Außenkreisumfang eines Drehelements Flügel und Flügelnuten hat.
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Aus der
JP-A 60-85288 A ist bekannt, dass eine als eine Flüssigkeitszufuhrvorrichtung fungierende Flüssigkeitspumpe einen Impeller hat, an dem Flügelnuten mit verschiedenen Nutenbreiten an seinem Außenumfangskreis vorgesehen sind. Insbesondere ist ein Satz von Flügelnuten verschiedener Nutbreiten in einem vorbestimmten Muster an einem Teil (mit feststehendem Abstand) des Außenumfangs des Impellers eingerichtet, wobei der Satz von Flügelnuten sich wiederholend über den gesamten Außenumfang des Impellers eingerichtet ist. Diese Anordnung reduziert eine Schallspitze, die bei hohen Frequenzen entsprechend dem Produkt aus der Anzahl der Flügel und der Drehzahl des Impellers erzeugt wird.
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Da jedoch der Satz Flügelnuten in dem vorbestimmten Muster sich wiederholend oder regelmäßig innerhalb einer Drehung des Impellers auftritt, wird jedes Mal, wenn der Impeller über den feststehenden Abstand dreht, ein niederfrequentes Geräusch erzeugt. Wenn somit diese Pumpenbauart als eine im Tank angeordnete Kraftstoffpumpe für einen Brennkraftmotor verwendet wird, kann das niederfrequente Geräusch mit dem Kraftstofftank in Resonanz kommen und ein niederfrequentes Schallgeräust erzeugen.
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Aus der Druckschrift
DE 37 08 336 A1 ist ein Laufrad zum Fördern eines Mediums bekannt, das in seinem Umfangsbereich angeordnete, in Umfangsrichtung mit unregelmäßigen Abständen zueinander liegende flügelartige Förderglieder hat. Die Abstände zwischen den einander benachbarten Fördergliedern sind nach der Gesetzmäßigkeit einer Pseudorauschfolge bemessen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher eine Flüssigkeitszufuhrvorrichtung zu schaffen, die ein verringertes Schallgeräusch erzeugt.
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Flüssigkeitszufuhrvorrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Eine vorteilhafte Ausführungsform wird gemäß dem abhängigen Anspruch ausgeführt.
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Erfindungsgemäß hat eine Kraftstoffzufuhrvorrichtung einen Impeller, an dem Flügelnuten unterschiedlicher Breite unregelmäßig über den gesamten Außenkreisumfang angeordnet sind. Die Breiten der Flügelnuten sind allesamt unterschiedlich, oder es können auch einige der Breiten gleich sein, solange die Flügelnuten unterschiedlicher Breiten nicht lokal, sondern über dem gesamten Außenumfang angeordnet sind.
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Somit geht jeder Flügel zwischen den benachbarten beiden Flügelnuten zu unregelmäßigen Zeitintervallen an einer zwischen einem Einlassanschluss und einem Auslassanschluss vorgesehenen Trennwand vorbei. Da die durch jeden Flügel verursachte Flüssigkeitsdruckdifferenz in unregelmäßigen Zeitintervallen auf die Trennwand auftrifft, kann eine Geräuschdruckspitze sowohl bei niedrigen Frequenzen als auch hohen Frequenzen verringert werden, dass heißt bei großen Drehzahlen und kleinen Drehzahlen des Impellers.
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Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachstehenden Beschreibung anhand der beigefügten Zeichnungen ersichtlich. Es zeigen:
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1 eine Schnittansicht einer Kraftstoffpumpe gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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2A eine Draufsicht eines Impellers der in 1 gezeigten Kraftstoffpumpe, der einem Vergleichsbeispiel zum besseren Verständnis der Erfindung entspricht;
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2B eine Raumansicht, die den in 2A gezeigten Impeller teilweise zeigt;
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3 ein charakteristisches Diagramm, das Variationen in der Summe benachbarter Nutwinkel gemäß einem Fall zeigt;
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4 ein charakteristisches Diagramm, das Variationen in der Summe benachbarter Nutwinkel in einem anderen Fall zeigt;
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5 ein charakteristisches Diagramm, das den gemessenen Schalldruck relativ zu der Frequenz in einem anderen Fall zeigt; und
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6 ein charakteristisches Diagramm, das den gemessenen Schalldruck relativ zu der Frequenz in einem bekannten Fall zeigt.
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In der folgenden Beschreibung der Flüssigkeitszufuhrvorrichtung ist ein Impeller 24 gemäß einem Vergleichsbeispiel beschrieben, der nicht unter dem Bereich der Erfindung fällt, aber dem besseren Verständnis der Erfindung dient.
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Mit Bezug auf 1 ist eine Kraftstoffpumpe mit 10 bezeichnet und, wie aus dem Stand der Technik bekannt ist, innerhalb eines Kraftstofftanks eines (nicht gezeigten) Fahrzeugs angeordnet, um beispielsweise Kraftstoff von dem Kraftstofftank zu einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung eines Brennkraftmotors zu speisen. Die Kraftstoffpumpe 10 hat eine Pumpeneinheit 10a zum Saugen des Kraftstoffs von dem Kraftstofftank und zum Druckbeaufschlagen des Kraftstoffs, eine Motoreinheit 10b zum Antrieb der Pumpeinheit 10a und eine Kraftstoffverdrängungseinheit 10c zum Verdrängen des durch die Pumpeinheit 10a druckbeaufschlagten Kraftstoffs.
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Die Pumpeinheit 10a hat zwischen ihrer Pumpenabdeckung 12 und einem Pumpengehäuse 13 eine C-förmige Pumpenkammer 30 (2A). In der Kammer 30 ist ein scheibenartiger Impeller 24 als ein Drehelement zum Druckbeaufschlagen des darin enthaltenen Kraftstoffs drehbar untergebracht. Die Pumpenabdeckung 12 und das Pumpengehäuse 13 sind aus Aluminium angefertigt und an einem zylindrischen Gehäuse 11 befestigt. Wie in den 2A und 2B ausführlich gezeigt ist, hat der Impeller 24 an seinem Außenkreisumfang siebenundsechzig Flügel 24a und zwischen den Flügeln 24a siebenundsechzig Flügelnuten 24b. Die Breite jedes Flügels 24a ist gleichförmig bzw. gleich groß, während jede Breite (Abstand) zwischen zwei benachbarten Flügeln 24a unterschiedlich ist. Somit haben zwei benachbarte Flügelnuten 24b an beiden Seiten des Flügels 24a eine unterschiedliche Breite und einen unterschiedlichen Winkel θ zwischen benachbarten Nuten.
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Der durch einen an der Pumpenabdeckung 12 geformten Einlassanschluss 31a in die Pumpenkammer 30 gesaugte Kraftstoff wird durch Drehung des Impellers mit Druck beaufschlagt und durch einen Auslassanschluss 31b zu einer Motorkammer 32 der Motoreinheit 10b verdrängt. Das Pumpengehäuse 13 ist an der Verbindung der Pumpenkammer 30 und dem Auslassanschluss 31b mit einer Trennwand 13a geformt. Die Trennwand ist dicht an dem Außenumfang des Impellers 24 angeordnet, um eine Abdichtung zwischen dem Einlassanschluss 31 und dem Auslassanschluss 31b vorzusehen.
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Bezüglich 1 hat die Motoreinheit 10b Permanentmagnete 25, die einen mit Spulen 20a umwickelten Rotor 20 umgeben. Der Rotor 20 dreht, wenn der elektrische Strom von einem Anschlussstift 51 eines Anschlusses 50 zu den in dem Magnetfeld der Magnete 25 angeordneten Spulen 20a gespeist wird. Eine Drehwelle 21 an der Seite der Schubrichtung des Rotors 20 ist durch ein Axiallager 22 gestützt, das in die Mittelaussparung der Pumpenabdeckung 12 pressgepasst ist. Das Axiallager 22 nimmt eine Last von der Drehwelle 21 in der Axialrichtung auf, während ein Lager 26 die Drehwelle 21 in der Radialrichtung stützt. Ein Lager 27 stützt eine an der anderen Seite des Rotors 20 vorgesehene Drehwelle 23 in der Radialrichtung. Die Drehwelle 21 ist an ihrem Ende mit einem sich an ihrem Außenumfang axial erstreckenden Ausschnitt 21a ausgebildet. Der Impeller 24 ist an einer Stelle, an der der Ausschnitt 21a ausgebildet ist, fest an die Drehwelle 21 gepasst.
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Die Magnete 25 sind radial außerhalb des Außenumfangs des Rotors 20 mit einem Spalt relativ zu dem Rotor 20 angeordnet. Ein Kollektor 40 mit acht Kupfersegmenten ist an der Seite der Drehwelle 23 an dem Rotor 20 angebracht.
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Ein Verdrängungsgehäuse 14 ist fest an das andere Ende des Gehäuses 11 angepasst. Der Anschlussstift 51 ist in dem Anschluss 50 des Verdrängungsgehäuses 40 eingebettet, wobei sein oberes Ende freigelegt ist. Der Anschlussstift 51 ist durch den Kollektor 40 mit den Spulen 20a des Rotors 20 verbunden. Der Anschlussstift 51 ist an eine Schutzdrossel 52 angeschlossen, die die alternierenden Stromkomponenten des zu den Spulen 20a zu führenden Gleichstroms beseitigt. Die Verdrängungseinheit 10c bringt ein Sperrventil 34 in einem in den Verdrängungsgehäuse 14 geformten Auslassanschluss 33 unter. Das Sperrventil 34 begrenzt den Rückstrom an von dem Auslassanschluss 33 verdrängten Kraftstoff.
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In dieser Kraftstoffpumpe 10 dreht sich der Rotor 20, während dessen Drehwelle 21 durch das Axiallager 22 und das Lager 26 abgestützt ist und dessen Drehwelle 23 durch das Lager 27 gestützt ist. Der mit der Drehwelle 21 drehende Impeller 24 setzt den von dem Kraftstofftank durch einen (nicht gezeigten) Filter in die Pumpenkammer 30 gesaugten Kraftstoff unter Druck und führt Kraftstoff in die Motorkammer 32. Anschließend hebt der Kraftstoff das Sperrventil 34 nach oben, um durch den Auslassanschluss 34 und eine (nicht gezeigte) Kraftstoffrohrleitung zur Außenseite verdrängt zu werden.
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Während der Drehung des Impellers 24 tritt eine Differenz von Drücken auf, die an den Vorder- und Rückseiten jedes Flügels 24a in der Drehrichtung erzeugt werden, wobei der diese Druckdifferenz aufweisende Kraftstoff auf die dicht an dem Außenumfang des Impellers 24 gebildeten Trennwand 13a des Pumpengehäuses 13 trifft. Daraus resultiert, dass es wahrscheinlich ist, dass ein großes Schallgeräusch erzeugt wird, wenn der die große Druckdifferenz aufweisende Kraftstoff auf die Trennwand 13a des Gehäuse 13 trifft, sofern der Winkel der in dem Impeller 24 geformten Flügelnut 24b nicht passend festgelegt ist.
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Die Flügelnuten 24b, deren Anzahl in diesem Vergleichsbeispiel siebenundsechzig ist, werden in folgender Weise an dem Impeller 24 angeordnet.
- (1) Der Maximalwert θmax (°) und der Minimalwert θmin (°) des Abstands zwischen zwei benachbarten Flügelnuten 24b werden bestimmt, d. h. der Winkel (der Winkel benachbarter Nuten) zwischen den Mitten der Flügelnuten 24b. Die Differenz zwischen diesen beiden Winkeln wird durch sechsundsechzig geteilt, was um eins weniger als die gesamte Anzahl der Flügelnuten 24b ist, um einen Inkrementwinkel Δ (°) zu bestimmen. Eine zu große Differenz zwischen dem Maximalwinkel θmax und dem Minimalwinkel θmin senkt das Verhältnis der Kraftstoffverdrängungsmenge relativ zu der zu der Motoreinheit 10b zugeführten elektrischen Energie, d. h. die Effizienz der Kraftstoffpumpe 10. Andererseits ergibt eine zu geringe Differenz zwischen dem Maximalwinkel θmax und dem Minimalwinkel θmin einen Impeller, dessen Nuten einen gleich großen Winkel einschließen. Dies erhöht den Schalldruck bei großen Frequenzen, der dem Produkt der Anzahl von Flügeln 24a und der Drehzahl des Impellers 24 entspricht. Die geeignete Differenz zwischen dem Maximalwinkel θmax und dem Minimalwinkel θmin des Winkels benachbarter Nuten kann durch Experimente und Untersuchungen für jede Pumpenart bestimmt werden.
- (2) Zufallszahlen, deren Anzahl einer Gesamtsumme (n) der Flügelnuten 24b gleicht, werden sequentiell bestimmt. Jeder Zufallszahl wird eine Sequenznummer (i) in der Reihenfolge der Bestimmung inkrementell zugeordnet. Jene Sequenznummern (i) werden dem Gesamtkreisumfang des Impellers 24 in einer dekrementellen oder inkrementellen Folge zugeordnet. Basierend auf der dekrementellen oder inkrementellen Folge der Zufallszahl werden Anordnungsnummern (j) von 1 bis 67 den Zufallszahlen [j = f(i)] entsprechend den Sequenznummern zugeordnet. Unter der Annahme, dass jeder Winkel benachbarter Nuten der Flügelnuten 24, die der Position zuzuordnen sind, die der Sequenznummer (i) entspricht, die dem Außenumfang des Impellers 24 zugeordnet und als θi (i = 1, 2, ..., n) definiert ist, wird der θi (°) wie folgt ausgedrückt: θi = θmin + ΔX(j – 1) (1)
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Bei der obigen Anordnung der Flügelnuten 24b wird eine Summe Sm (°) der Winkel der Flügelnuten 24b bestimmt, die aufeinanderfolgend mit einer Anzahl von m = n/k (k = 2, 3 und 4) benachbart sind. Wenn hierbei die Anzahl n/k keine ganze Zahl ist, wird m als ganze Zahl zumindest zwischen n/k und (n/k) + 1 gesetzt. Die Summe Sm wird n-mal (in n Durchgängen) durch Versetzen der Flügelnut bestimmt, von der die Summe jedes Mal (in jedem Durchgang) in der Kreisrichtung eine nach der anderen bestimmt wird. Die Anordnung, in der die Summe Sm von jedem Mal (von jedem Durchgang) der folgenden Ungleichung genügt, wird übernommen. (360/k) – 10 ≤ Sm ≤ (360/k) + 10 (2)
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Durch Berechnung der Summe Sm, während k in dem 2, 3 und 4 enthaltenden Bereich bis zu der Anzahl von Segmenten des Kollektors 40 (8 in diesem Ausführungsbeispiel) geändert wird, und durch Experimente der resultierenden Anordnung kann der durch die Drehung des Impellers 24 erzeugte Schalldruck vorteilhaft verringert werden.
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Wie in 3 gezeigt, variiert die Summe Sm der Winkel benachbarter Nuten der Flügelnuten 24b, wenn die Anzahl k auf k = 2, 3, 4, 8 geändert wird. In 3 wird angenommen, dass die Flügelnuten 64b durch Zahlen zwischen 1 bis 67 bezeichnet sind, und zwar sequentiell in der Uhrzeigerrichtung. Da die Gesamtanzahl der Flügelnuten 24b siebenundsechzig (n = 67) ist, wird die Summe Sm (S8, S9, S16, S17, S22, S23, S33, S34) jedes Winkels benachbarter Nuten für k = 8 mit m = 8 und 9, für k = 4 mit m = 16 und 17, für k = 3 mit m = 22 und 23, und für k = 2 mit m = 33 und 34 bestimmt. Aus 3 geht hervor, dass alle Summen Sm der Winkel benachbarter Nuten generell jeweils innerhalb eines Bereichs von (360/2 = 180) ± 10 für k = 2, (360/3 = 120) ± 10 für k = 3, (360/4 = 90) ± 10 für k = 4 und (360/8 = 45) ± 10 für k = 8 ist. Somit kann, da sich in diesem Vergleichsbeispiel alle Winkel benachbarten Nuten der Flügelnuten 24b voneinander unterscheiden, ein hochfrequentes Schallgeräusch auf ein Minimum reduziert werden. Da ferner Variationen in den benachbarten Nutwinkeln der Flügelnuten 24b nicht auf lediglich einen Teil des Impellers 24 konzentriert sind, sondern sich über den gesamten Impeller 24 in der Kreisrichtung verteilen, ändert sich die Anzahl der Flügel 24a, die in einem Zeitintervall die Trennwand 13a passieren, nicht so sehr. Somit wird auch die Erzeugung eines niederfrequenten Schallgeräusches unterdrückt.
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Unter der Anwendung von mehreren Sätzen von Zufallszahlen, werden die Summen Sm benachbarter Nutwinkel wie oben bestimmt. Die Anordnungen, die in kleineren Variationen in der Summe Sm resultieren als jene in 3, werden ausgewählt und sind in 4 gezeigt. Jene Flügelnutanordnungen mit weniger Variation in der Summe Sm ergeben sich aus unregelmäßig angeordneten Flügelnuten und verschaffen vorteilhaftere Anordnungen, die einen geringeren Schalldruck erzeugen.
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Schalldrücke, die durch einen Impeller unter Anwendung der Flügelnutanordnung aus 4 und einem Impeller erzeugt werden, der die gleichmäßige Flügelnutanordnung (Stand der Technik) anwendet, werden in der gleichen Kraftstoffpumpenart (1) gemessen. Die gemessenen Schalldrücke relativ zu der Frequenz (Drehzahl des Impellers 24) sind in 4 (Vergleichsbeispiel) und in 5 (Stand der Technik) gezeigt. In 5 und 6 ist anzumerken, dass der Schalldruck in einer Flüssigkeit gemessen wurde, wobei 1 μPa als 0 dB bezeichnet ist. Wie aus den 4 und 5 ersichtlich, wird, sofern die Flügelnutanordnung entsprechend einer Charakteristik mit sich weniger ändernder Sm (4) übernommen wird, dem Spitzenpegel des erzeugten Schalldrucks reduziert, um geringer zu sein (5), wobei ein Durchschnittspegel des erzeugten Schalldrucks über jegliche Drehzahl des Impellers gesenkt wird.
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Gemäß dem obigen Vergleichsbeispiel wird nicht nur der Schallgeräuschdruck sowohl bei großen Frequenzen als auch bei kleinen Frequenzen gesenkt, sondern werden auch Schwankungen entsprechend dem Unterschied in Schalldrücken reduziert. Daraus resultiert, dass Änderungen in der Drehzahl des Impellers 24, die durch die Schwankungen verursacht werden können, ebenso reduziert werden. Somit kann die Pumpeneinheit 10a Kraftstoff im allgemeinen direkt proportional zu der elektrischen Energie verdrängen, die zu der Motoreinheit 10b gespeist wird, d. h. die Kraftstoffpumpe 10 kann mit großer Effizienz betätigt werden.
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Das obige Vergleichsbeispiel kann in vielfacher Weise modifiziert werden. Beispielsweise können die Zufallszahlen in unterschiedlichen Weisen verwendet werden, solange die Unregelmäßigkeit von Zufallszahlen Anwendung findet. Beim Bestimmen der Summe Sm der benachbarten Nutwinkel kann dies mit Hinblick auf lediglich k = 2, 3 und 4 und m = 34, 23 und 17 bestimmt werden, d. h. für (n/k) + 1.
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Erfindungsgemäß sind einige der Winkel benachbarter Nuten gleich. Das Verhältnis der Anzahl der gleichen Winkel benachbarter Nuten zu der Gesamtanzahl der Flügel ist dabei kleiner als oder gleich 0,1.
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Anstelle der Flügelstruktur der offenen Bauart, in der die Flügelnuten 24b an der Vorderseite und der Rückseite des Impellers 24 in Axialrichtung In Verbindung stehen, kann eine Flügelstruktur der geschlossenen Bauart verwendet werden. Selbst in der Flügelstruktur der offenen Bauart kann der Impeller 24 von einer Bauart sein, die einen ringförmigen Ring mit einer Breite hat, die der Dicke des Impellers 24 (Axiallänge des Flügels 24a) gleicht und die radial äußersten Enden des Flügels 24 über die Flügelnuten 24b gebogen verbindet.
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Ferner kann die vorliegende Erfindung auf andere Vorrichtungen als auf die Kraftstoffpumpe angewendet werden, solange die Vorrichtung Flügel und Flügelnuten an dem Außenumfang ihres Drehelements hat.
