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ALLGEMEINER
STAND DER TECHNIK
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1) Gebiet der Erfindung
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Diese
Erfindung betrifft allgemein Pumpen und insbesondere eine selbstansaugende
Kraftstoffpumpe mit einem Flügelrad.
Eine derartige Pumpe ist als elektromotorisch betriebene Kraftstoffpumpe
für ein
Kraftfahrzeug verwendbar, um flüssigen
Kraftstoff aus einem Kraftstofftank durch ein Kraftstoff-Beförderungssystem
zu einer Maschine zu pumpen, die das Fahrzeug antreibt.
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2) Hintergrundinformationen
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In
einem Kraftfahrzeug, das durch eine Brennkraftmaschine angetrieben
wird, kann mit einer im Tank angeordneten elektromotorisch betriebenen Pumpe
Kraftstoff durch ein Kraftstoff-Beförderungssystem der Maschine
gepumpt werden.
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Beispiele
für Kraftstoffpumpen
sind in verschiedenen Patenten gezeigt, inbegriffen die US-Patente
Nr. 3,851,998; 5,310,308; 5,409,357; 5,415,521; 5,551,835 und 5,601,398.
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Die
gemeinsam übertragenen
Patente Nr. 5,310,308; 5,409,357 und 5,551,835 offenbaren Pumpen
des allgemeinen Typs, auf den sich die vorliegende Erfindung bezieht,
wobei derartige Pumpen bestimmte Vorteile und Vorzüge gegenüber bestimmten
anderen Typen von Pumpen bieten.
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Um
Drücke
zu entwickeln, die für
ein Kraftstoffsystem eines Kraftfahrzeugs geeignet sind, kann das
Flügelrad
einer selbstansaugenden Pumpe sehr enge Lauftoleranzen in Bezug
auf die Wände
der Pumpenteile haben, die in Achsrichtung gegenüberliegenden Flächen des
Flügelrades
im Inneren der Pumpe gegenüberstehen.
Folglich ist die Formstabilität
der Werkstoffe ein wichtiger Gesichtspunkt der Konstruktion, wobei
sich herausgestellt hat, dass bestimmte Werkstoffe für das Flügelrad und
für die
Teile der Pumpe (beispielsweise einen Pumpenmantel und einen Pumpenkörper), die
ihm gegenüber
angeordnet sind, besonders geeignet sind. Polyphenylensulfid und
Phenolharzkunststoff sind Beispiele für geeignete Werkstoffe; sowohl
diese zwei Werkstoffe als auch Aluminium sind für den Pumpenmantel und den Pumpenkörper geeignet.
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Eine
typische Pumpe ist eine Nassläuferpumpe,
die einen Einlass im Pumpenmantel und einen Auslass im Pumpenkörper aufweist.
Der Einlass und der Auslass sind zu einem ringförmigen Pumpenraum, der rings
um den Umfang der Pumpe verläuft,
hin offen. Das Flügelrad
umfasst Flügel,
die sich in dem Pumpenraum drehen, um Flüssigkeit vom Einlass zum Auslass
zu bewegen. Wenn die Pumpe in einem Kraftstofftank so angeordnet
ist, dass ihre Achse im Wesentlichen senkrecht ist und der Mantel einer
Bodenwand des Tanks zugewandt ist, ist der Einlass für den flüssigen Kraftstoff
in dem Tank offen. Wenn die Pumpe durch einen zugeordneten Elektromotor
angetrieben wird, entwickelt sich ein Druckunterschied über jenen
Abschnitten der Flügelradflächen, die
von dem ringförmigen
Pumpenraum radial einwärts
angeordnet sind und enge Laufpassungen zu den gegenüber angeordneten
Wandflächen
des Pumpenmantels und des Pumpenkörpers besitzen, wodurch ein
Kräfteungleichgewicht
erzeugt wird, das in Abwärtsrichtung
auf das Flügelrad
wirkt. Zu dieser abwärts
gerichteten Resultierenden des Kräfteungleichgewichts kommt noch
die Schwerkraft hinzu. Die Resultierende des Kräfteungleichgewichts kann derart
auf ein Flügelrad
wirken, dass die Laufreibung zunimmt. Diese Reibung kann den Pumpenwirkungsgrad
verringern und den Verschleiß beschleunigen, was
zu einer weiteren Herabsetzung des Pumpenwirkungsgrades führt.
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Es
sind verschiedene Lösungen
vorgeschlagen worden, um das Kräfteungleichgewicht,
das auf das Flügelrad
wirkt, zu minimieren und im Idealfall zu beseitigen. Beispiele dafür können den
US-Patenten Nr. 3,768,920; 4,586,877; 4,854,830; 4,872,806; 5,137,418
und 5,607,283 entnommen werden.
US 4,872,806 beschreibt
eine Pumpe mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff
des vorliegenden Anspruchs 1. In einer Ausführungsform hat das Flügelrad an
einander gegenüberliegenden
Flächen
mehrere in Umfangsrichtung gleichmäßig voneinander beabstandet,
bogenförmig
angeordnete Aussparungen und mehrere in Umfangsrichtung gleichmäßig voneinander
beabstandete axiale Löcher,
die jeweils in der Mitte der bogenförmigen Aussparungen angeordnet
sind. Die bogenförmigen
Aussparungen und die axialen Löcher
wirken mit entsprechenden inneren Stirnwänden in einem Gehäuse zusammen,
um die Drücke,
die auf die einander gegenüberliegenden Stirnflächen des
Flügelrades
wirken, auszugleichen.
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KURZDARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird eine Pumpe geschaffen, wie sie im Anspruch 1 spezifiziert ist.
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Durch
eine kontinuierliche Entwicklungstätigkeit ist festgestellt worden,
dass die Ausstattung des Flügelrades
mit bestimmten Merkmalen eine bessere Lösung des oben beschriebenen
Problems des Kräfteungleichgewichts
liefern kann.
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Da
diese Merkmale durch das Flügelrad
verkörpert
werden, können
sie natürlich
hervorgebracht werden, wenn ein Flügelrad, das sie verkörpert, mittels
bekannter Flügelrad-Fertigungsverfahren
hergestellt wird. Folglich ist die Lösung, die durch die vorliegende
Erfindung geschaffen wird, bezeichnenderweise kostengünstig.
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Kurz,
die Erfindung betrifft die Einbeziehung so genannter "hochziehender Führungsnuten" in Verbindung mit
kräfteausgleichenden
Durchgangslöchern,
die sich zwischen gegenüberliegenden
Flügelradflächen erstrecken.
Die hochziehenden Führungsnuten
sind in der Fläche
des Flügelrades
vorgesehen, die dem Pumpeneinlass nahe ist und hier aus praktischen
Gründen
mitunter als Unterseite bezeichnet wird, da sie nach unten zeigt,
wenn die Pumpe in der oben erwähnten
Art und Weise in einen Kraftstofftank eingebaut ist. Jede hochziehende
Führungsnut
umfasst einen geformten Hohlraum, der an ein entsprechendes kräfteausgleichendes
Durchgangsloch grenzt, und verläuft
eine kurze Strecke in Umfangsrichtung in einem Sinn, der dem Drehsinn des
Flügelrades
entgegengesetzt ist. Folglich führt jede
Nut von dem entsprechenden Durchgangsloch in abflachender Weise
weg.
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Eine
bedeutende Rolle spielt, dass jede hochziehende Führungsnut
eine Fluid-Gegendruckfläche aufweist,
die zu der Ebene der Flügelrad-Unterseite
nicht parallel ist. Man ist der Meinung, dass, während sich das Flügelrad dreht,
Fluid-Grenzschichten zwischen der Flügelradunterseite und der gegenüber angeordneten
Wandfläche
des Pumpenmantels dazu neigen, im gleichen Sinn wie das Flügelrad,
jedoch wegen der ihnen eigenen Viskosität mit einer geringeren Geschwindigkeit
umzulaufen. Folglich wird die Meinung vertreten, dass die Fluid-Grenzschicht
dazu neigt, in Bezug auf das Flügelrad
gegen den Uhrzeigersinn umzulaufen.
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Nachdem
die Fluid-Grenzschicht ein kräfteausgleichendes
Durchgangsloch durchquert hat und auf die entsprechende hochziehende
Führungsnut
trifft, wirkt sie auf die Fluid-Gegendruckfläche der hochziehenden
Führungsnut
in einer Art und Weise, von der festgestellt wurde, dass sie eine
nützliche aufwärts gerichtete
Kraftkomponente erzeugt, die dem durch den Druck hervorgerufenen
Kräfteungleichgewicht,
das auf das Flügelrad
wirkt, entgegengerichtet ist. Dieser Effekt verbessert das Kräftegleichgewicht
des Flügelrades
wesentlich.
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Ein
typisches Flügelrad
kann eine Anzahl von völlig
gleichen kräfteausgleichenden
Durchgangslöchern
haben, die in einem gleichmäßigen Muster
in Bezug auf die Flügelradachse
verteilt sind. Den kräfteausgleichenden
Durchgangslöchern
sind völlig
gleiche hochziehende Führungsnuten
zugeordnet.
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Weitere
allgemeine sowie speziellere Aspekte werden in der folgenden Beschreibung
und in den Ansprüchen
dargelegt.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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Die
Zeichnung, die nun kurz beschrieben wird, ist beigefügt, um eine
bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung und ein Verfahren zur Umsetzung der Erfindung, das
derzeit als bestes angesehen wird, zu veranschaulichen.
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1 ist eine Längsschnittansicht einer die Prinzipien
der Erfindung verkörpernden Kraftstoffpumpe
in Richtung der Pfeile 1-1 in 2;
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2 ist eine Seitenansicht in Richtung der Pfeile
2-2 in 1;
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3 ist ein vergrößerter vollständiger Grundriss
einer Fläche
eines Flügelrades
der Pumpe der 1 und 2 in
Richtung der Pfeile 3-3 in 3;
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4 ist ein vergrößerter vollständiger Grundriss
einer gegenüberliegenden
Fläche
des Flügelrades
entsprechend der Richtung der Pfeile 4-4 in 1;
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5 ist eine Teilschnittansicht in Richtung der
Pfeile 5-5 in 3.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Die 1 und 2 zeigen
eine die Prinzipien der vorliegenden Erfindung verkörpernde
Kraftfahrzeug-Kraftstoffpumpe 10 mit einer gedachten Längsachse
12. Die Pumpe 10 umfasst ein Gehäuse,
das einen Pumpenmantel 14 und einen Pumpenkörper 16 enthält, die
zusammenwirkend so angeordnet sind, dass ein axiales Ende einer
zylindrischen Buchse 18 verschlossen wird, wobei sie gemeinsam einen Innenraum
für ein
Pumpelement, speziell für
ein Flügelrad
20, das sich um die Achse 12 drehen kann, definieren. Das entgegengesetzte
axiale Ende der Buchse 18 ist durch einen Teil 22 verschlossen,
der ein Austrittsrohr 24 enthält,
durch welches der Kraftstoff aus der Pumpe 10 austritt. Der Teil
22 ist von dem Pumpenkörper
16 beabstandet, um einen Innenraum für einen Elektromotor 26 zu
schaffen, der das Flügelrad
20 dreht, wenn die Pumpe 10 läuft.
Der Motor 26 umfasst einen Rotor mit einer Welle 28, die für eine Drehung
um die Achse 12 drehbar gelagert ist und an einem Ende eine verzahnte
Verbindung aufweist, um die Drehbewegung auf das Flügelrad 20 zu übertragen.
Der Innenraum, der durch das Zusammenwirken des Pumpenmantels 14
und des Pumpenkörpers
16 für
das Flügelrad
20 definiert ist, enthält
einen ringförmigen
Pumpenraum 30.
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Die
Pumpe 10 ist dafür
ausgelegt, zumindest teilweise in einen Kraftstofftank eines Kraftfahrzeugs eingetaucht
zu werden, um nass zu laufen. Ein Durchlass, der sich durch den
Pumpenmantel 14 erstreckt, sorgt für einen Einlass 32 in den Pumpenraum
30. Ein Durchlass, der sich durch den Pumpenkörper 16 erstreckt, sorgt für einen
Auslass 34 aus dem Pumpenraum 30. Der Kraftstoff, der den Auslass
34 verlässt,
durchquert den Motor 26 und verlässt
die Pumpe 10 über
das Rohr 24, von wo aus der Kraftstoff durch ein (nicht gezeigtes)
Maschinen-Kraftstoffbeförderungssystem
zu einer Maschine gepumpt wird.
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Der
Pumpenraum 30 hat eine typische Umfangsausdehnung von mehr als 270°, aber weniger als
360° mit
dem Einlass 32 an einem Ende des Pumpenraums und dem Auslass 34
am entgegengesetzten Ende. Folglich ist der Auslass 34 in 1 nicht an seiner Position gezeigt. Das
Flügelrad
20 umfasst einen ringförmigen
Körper
36 mit einer Reihe von in Umfangsrichtung mit Zwischenraum angeordneten Flügeln 38
um seinen Umfang. Wenn das Flügelrad 20
durch den Motor 26 in Drehung versetzt wird, dreht sich sein mit
Flügeln
versehener Umfang durch den Pumpenraum 30, um einen Differenzdruck
zwischen dem Einlass 32 und dem Auslass 34 zu erzeugen, der das
Fluid durch den Einlass 32 saugt, durch den Pumpenraum 30 bewegt
und durch den Auslass 34 nach außen drängt.
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Der
Abschnitt des Flügelradkörpers 36,
der von Flügeln
38 umgeben ist, weist ebene, zueinander parallele gegenüberliegende
Flächen
40, 42 auf, die senkrecht zur Achse 12 sind. Die Fläche 40 ist
eine Unterseite, der eine Wandfläche
des Pumpenmantels 14 gegenüberliegt,
und die Fläche
42 ist eine Oberseite, der eine Wandfläche des Pumpenkörpers 16
gegenüberliegt.
Diese Wandflächen
des Mantels 14 und des Pumpenkörpers
16 stehen den einander gegenüberliegenden
Flächen
40, 42 des Pumpenelementkörpers
mit geringem Laufspiel gegenüber.
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Gemäß den Prinzipien
der Erfindung zeigen die 3 bis 5 "hochziehende
Führungsnuten" 44, die kräfteausgleichenden
Durchgangslöchern
46 zugeordnet sind, die sich zwischen gegenüberliegenden Flügelradflächen 40,
42 erstrecken. Ein typisches Flügelrad,
wie das gezeigte, kann eine Anzahl von völlig gleichen kräfteausgleichenden
Durchgangslöchern
46 aufweisen, die in einem gleichmäßigen Muster in Bezug auf die
Achse 12 verteilt sind. Das Flügelrad
20 hat zwei kreisförmige
Reihen völlig gleicher
Durchgangslöcher
46, wovon eine konzentrisch zur anderen in Bezug auf die Achse 12
ist, wobei jede Reihe sechs Durchgangslöcher 46 aufweist, die mit Mittenabständen von
etwa 60° um
die Achse 12 angeordnet sind. Die Durchgangslöcher einer Reihe sind in Umfangsrichtung
etwa 30° gegenüber jenen
der anderen Reihe versetzt. Die Durchgangslöcher sind gerade, wobei ihre
Achsen parallel zur Achse 12 sind.
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Den
Durchgangslöchern
46 sind völlig
gleiche hochziehende Führungsnuten
44 zugeordnet. Die hochziehenden Führungsnuten 44 sind in der
Unterseite 40 des Flügelrades
20, nicht jedoch in der Oberseite 42 vorgesehen. Jede hochziehende
Führungsnut
44 ist ein geformter Hohlraum, der an ein entsprechendes kräfteausgleichendes
Durchgangsloch 46 grenzt, und verläuft eine kurze Strecke in Umfangsrichtung
in einem Sinn, der dem Drehsinn des Flügelrades beim Pumpen von Fluid
vom Einlass 32 zum Auslass 34 entgegengesetzt ist. Jede Nut könnte so
gesehen werden, dass sie eine gedachte Mittellinie besitzt, die
sich im Allgemeinen in Umfangsrichtung von der Mitte des entsprechenden
Durchgangslochs 46 aus erstreckt. Diese Mittellinie kann im Wesentlichen
gerade sein, wie in der Zeichnung gezeigt ist, oder leicht gekrümmt sein,
so dass sie einem Kreisbogen folgt, der konzentrisch zur Achse 12
ist. Folglich kann in jedem Fall jede Nut 44 als von dem entsprechenden
Durchgangsloch 46 "in
abflachender Weise wegführend" bezeichnet werden.
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Wie
im Grundriss zu sehen ist, hat jede hochziehende Führungsnut
44 in radialer Richtung eine Abmessung, d.h. eine Breite, die im
Wesentlichen dem Durchmesser des entsprechenden Durchgangslochs
46, von dem sie in abflachender Weise wegführt, gleich ist, und endet
in einer im Allgemeinen halbrunden Kante 50, wenn sie mit der Unterseite
40 gleichkommt. Eine bedeutende Rolle spielt, dass jede hochziehende
Führungsnut
44 eine Fluid-Gegendruckfläche
48 aufweist, die zu der Ebene der Unterseite 40 nicht parallel ist.
Wie in 5 kenntlich gemacht ist, ist
die Gegendruckfläche
48 unter einem kleinen, spitzen Winkel A (in 5 zur
Veranschaulichung etwas übertrieben)
in Bezug auf die Ebene der Unterseite 40 angeordnet. Beispiele für Winkel,
von denen man der Meinung ist, dass sie am besten geeignet sind,
reichen von ungefähr
1° bis zu
ungefähr 3°. Obwohl
eine übermäßige Neigung,
die die Wirksamkeit der Gegendruckfläche 48 beeinträchtigen könnte, vermieden
werden sollte, könnten
bei bestimmten Pumpenkonstruktionen Winkel mit einer Größe von 7° bis 10° wirkungsvoll
sein.
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Dort,
wo die hochziehende Führungsnut
44 an das Durchgangsloch 46 angrenzt, kann die Tiefe der Oberfläche 48 im
Bereich von bis zu ungefähr
1,0 mm sein, wobei jedoch ungefähr
0,2 mm bis ungefähr 0,4
mm auf der Grundlage einer Entwicklung eines Flügelrades, wie es in der Zeichnung
gezeigt ist, einen bevorzugten Bereich darstellen. Die Oberfläche 48 neigt
sich längs
ihrer Ausdehnung in Umfangsrichtung von dem Durchgangsloch 46 aus
nach oben und kommt schließlich
entlang einer im Wesentlichen halbrunden Kante 50, die etwa 30° im Uhrzeigersinn von
dem entsprechenden Durchgangsloch entfernt endet, mit der flachen,
ebenen Oberfläche
der Unterseite 40 gleich. Die Oberfläche 48 kann eben, im Wesentlichen
eben oder leicht konkav sein.
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Man
ist der Meinung, dass, während
sich das Flügelrad
dreht, Fluid-Grenzschichten zwischen der Flügelradunterseite und der gegenüber angeordneten
Wandfläche
des Pumpenmantels dazu neigen, im gleichen Sinn wie das Flügelrad,
jedoch wegen der ihnen eigenen Viskosität mit einer geringeren Geschwindigkeit
umlaufen. Folglich wird die Meinung vertreten, dass die Fluid-Grenzschicht
dazu neigt, in Bezug auf das Flügelrad
gegen den Uhrzeigersinn umzulaufen.
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Nachdem
die Fluid-Grenzschicht ein kräfteausgleichendes
Durchgangsloch durchquert hat und auf die entsprechende hochziehende
Führungsnut
trifft, wirkt sie auf die Fluid-Gegendruckfläche der hochziehenden
Führungsnut
in einer Art und Weise, von der festgestellt wurde, dass sie eine
nützliche aufwärts gerichtete
Kraftkomponente erzeugt, die dem durch den Druck hervorgerufenen
Kräfteungleichgewicht,
das auf das Flügelrad
wirkt, entgegengerichtet ist. Dieser Effekt verbessert das Kräftegleichgewicht
des Flügelrades
wesentlich. Was die Größe der Kraftkomponente
anbelangt, die in Umfangsrichtung auf der Oberfläche 48 wirkt, so ist man der
Meinung, dass sie in der gleichen Weise wie eine Umfangskraft wirkt,
die durch die Viskosität
des Fluids hervorgerufen wird, wenn sich das Flügelrad dreht.
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Obwohl
eine derzeit bevorzugte Ausführungsform
veranschaulicht und beschrieben worden ist, sollte klar sein, dass
die Erfindung im Rahmen der folgenden Ansprüche in verschiedenen Formen
verwirklicht werden kann.