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TECHNISCHES
GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Umwälzpumpe zum Pumpen eines Kühlmittels mit
Hilfe eines umlaufenden Laufrades, beispielsweise zum Kühlen eines
Fahrzeugmotors, dessen Pumpe einen Teil eines Kühlsystems darstellt, welches eine
Zuführleitung
vom Motor zu einem Kühler,
eine Rückführleitung
vom Kühler
zur Pumpe und ein Steuerventil zum Parallelschalten des Abflusses
vom Motor über
eine Bypassleitung zurück
zur Pumpe, bezogen auf den Betriebszustand des Motors, umfasst, wobei
zur Mitte des Laufrads ein Einlass gerichtet ist und sich vom äußeren Rand
des Laufrads aus ein spiralförmiger
Auslass erstreckt.
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STAND DER
TECHNIK
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Bei
einem herkömmlichen
Kühlsystem,
beispielsweise bei einem Fahrzeug, wird die Kühlmittelpumpe zum Kühlen des
Motors in der Weise betrieben, dass sich der Kühlmittelstrom in Abhängigkeit von
der Motordrehzahl verändert.
Das Steuerventil wird dazu verwendet, in Abhängigkeit von der Temperatur
des Kühlmittelstroms,
der aus dem Motor austritt, die Strömung von der Pumpe entweder
zum Kühler
oder zurück
zur Pumpe zu steuern. Die Strömungskapazität ist bei
einem herkömmlichen
System in der Weise ausgelegt, dass mit einem Motorbetrieb unter
Volllast gearbeitet werden kann, zum Beispiel beim Hinauffahren
auf einer Schräge
mit voll geöffnetem
Drosselventil. Normalerweise ist auch die Bypassleitung in etwa
für die
gleiche Strömungsmenge ausgelegt,
die durch den Kühler
fließt,
so dass die Thermostatsteuerung so wirksam wie möglich sein kann.
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Dementsprechend
ist die Strömungskapazität für normale
Betriebsbedingungen nicht optimiert, was bedeutet, dass die Pumpe
unabhängig
von den Betriebsbedingungen mit hoher Wirkung arbeitet. Infolgedessen
führt der
Betrieb der Kühlmittelpumpe
zu einem beträchtlichen
Leistungsverlust, was sich auf die Motorleistung auswirkt.
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Es
ist wünschenswert,
diesen Leistungsverlust zu verringern, ohne dass sich dies nachteilig
auf die Bauweise auswirkt, beispielsweise indem vermieden wird,
dass das System noch umfangreicher oder in der Herstellung erheblich
teurer wird.
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ZU LÖSENDE AUFGABE
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Umwälzpumpe
zu schaffen, mit der sich die vorstehend genannten Probleme lösen lassen.
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LÖSUNG DER
AUFGABE
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Zu
diesem Zweck sieht die Erfindung eine Umwälzpumpe nach Anspruch 1 vor.
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Gemäß einem
vorteilhaften Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird der Strom durch die Bypassleitung über einen
Durchlass in die Pumpe geführt, die
im Wesentlichen tangential an einen zentralen Pumpeneinlass angeschlossen
ist.
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Vorzugsweise
weist der Durchlass eine gekrümmte
Oberfläche
der Außenwandung
aufweist, die eine Querschnittsfläche besitzt, welche monoton in
Richtung zum zentralen Pumpeneinlass abnimmt.
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Der
Durchlass kann sich dabei spiralförmig um den zentralen Einlass
erstrecken.
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Der
Kanal bildet in günstiger
Form eine Flächenverminderung
aus, welche eine im Wesentlichen tangentiale Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit in
Richtung des Einlasses durch die Strömung von der Bypassleitung
aus gestattet.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
ist mindestens ein Einlass zur Mitte des Laufrades hin gerichtet und
erstreckt sich die Bypassleitung zumindest teilweise in spiralförmiger Windung
um den Einlass und die Abzweigungen von der Bypassleitung.
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Bei
einer anderen geeigneten Ausführungsform
erstreckt sich ein Einlass zum Teil in der Bypassleitung und ist
dabei zur Mitte einer Vorrichtung gerichtet, die mit einer Schaufel
versehen ist, die eine Öffnung
besitzt, wobei diese Vorrichtung die Strömung von der Bypassleitung
zu dem aus dem Einlass durch die Öffnung fließenden Strom hin in tangentialer
Richtung lenkt und dabei einen Vordrall erzeugt. Die mit der Schaufel
versehene Vorrichtung ist im Wesentlichen in der Strömung von
der Bypassleitung unmittelbar vor dem Laufrad angeordnet.
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Bei
den bevorzugten Ausführungsbeispielen erfolgt
der Vordrall in der gleichen Richtung wie die Drehung des Laufrades.
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Die
Erfindung bezieht sich außerdem
auf ein Kreislaufsystem, das eine Umwälzpumpe umfasst, welche ein
Strömungsmittel,
beispielsweise ein Kühlmittel,
mittels eines umlaufenden Laufrades pumpt, beispielsweise zum Kühlen des
Motors in einem Fahrzeug, wobei das System eine Zuführleitung
von einer Wärmequelle
mit der Wärme
des Motors zu einer Kühlvorrichtung,
beispielsweise einem Kühler, und
ferner eine Rückführleitung
von der Kühlvorrichtung
zur Pumpe und ein Ventil zum Parallelschalten des Abflusses aus
dem Motor über
eine Bypassleitung zurück
zur Pumpe. Die Bypassleitung ist mit der Pumpe dabei in der Weise
verbunden, dass eine im Wesentlichen aus dieser Leitung austretende
Strömung
zu einer Verringerung der Leistung führt, die der Motor benötigt. Bei
dem System ist die Strömung vorzugsweise
von den Betriebsbedingungen es Motors abhängig. Das Ventil wird dabei über einen
Thermostat gesteuert.
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Entsprechend
einem erfindungsgemäßen Verfahren
ist zur Optimierung der Durchflussleistung bei einer Umwälzpumpe
zum Pumpen eines Kühlmittels
mit Hilfe eines umlaufenden Laufrades, beispielsweise zum Kühlen des
Motors in einem Fahrzeug, wobei die Pumpe Teil eines Kreislaufsystems ist,
welches eine Zuleitung von dem Motor zu einem Kühler, eine Rückführleitung
vom Kühler
zur Pumpe und ein Steuerventil zum Parallelschalten des Abflusses
aus dem Motor über
eine Bypassleitung zurück zur
Pumpe je nach der jeweiligen Betriebsbedingung des Motors ein Einlass
zur Mitte des Laufrades hin gerichtet und erstreckt sich ein spiralförmiger Auslass
vom äußeren Rand des
Laufrades aus, wobei sich das System dadurch auszeichnet, dass der
im Wesentlichen aus der Bypassleitung austretende Bypassstrom auf
den in der Mitte vorhandenen Einlassstrom aus dem Einlass im Wesentlichen
in der Weise trifft, dass eine Rotation des Einlassstromes erzeugt und/oder
vorzugsweise verstärkt
wird, und dass der Bypassstrom auf den Einlassstrom im Wesentlichen in
tangentialer Richtung trifft.
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In
den Fällen,
in denen zwei Klappen vorgesehen sind, die an einer Ecke mit einander
verriegelt werden müssen,
bedeutet dies, dass der freie Raum für Verriegelungsvorrichtungen
sehr eng begrenzt ist.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Unter
Bezugnahme auf Ausführungsbeispiele,
die in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind, wird die Erfindung
nachstehend beschrieben, in welchen:
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1 eine
schematisierte Ansicht des Kühlmittelsystems
bei einem Fahrzeug zeigt;
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2 und 3 einen
schematisierten und teilweise perspektivischen Querschnitt durch
eine Umwälzpumpe
darstellen, welcher zur Illustration des Prinzips zur Erzielung
eines Vordralls gemäß der vorliegenden
Erfindung bei einer Umwälzpumpe
vorgesehen ist;
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4 eine
teilweise geschnittene Seitenansicht einer Umwälzpumpe in detaillierter Form
darstellt, die gemäß der Erfindung
ausgelegt wurde;
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5 eine
Ansicht der in 4 dargestellten Pumpe von unten
zeigt;
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6 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Pumpe
zeigt, bei welcher ein Teil des Pumpengehäuses entfernt wurde und teilweise
durchsichtig ist;
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7 einen
Schnitt durch ein alternatives Ausführungsbeispiel einer Umwälzpumpe
darstellt;
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8 einen
Schnitt entlang der Linie VIII-VIII in 7 zeigt,
und
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9 eine
schematische Graphik mit der Darstellung der Beziehung zwischen
Leistung und Strömung
ist.
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BESCHREIBUNG
DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Die
Erfindung hat sich vornehmlich das Ziel gesetzt, bei einer Umwälzpumpe
einen Vordrall zu erzielen. Auch wenn in der nachstehenden Beschreibung
Bezüge
zu einem Ausführungsbeispiel
hergestellt werden, dem eine Umwälzpumpe
in Verbindung mit einem Motor und insbesondere einem Fahrzeugmotor
zugrunde liegt, wird ein Fachmann erkennen, dass das Prinzip gemäß der vorliegenden
Erfindung bei Umwälzpumpen
aller Axt eingesetzt werden kann, bei denen eine Kombination aus
einer ersten und einer zweiten Strömung herangezogen wird, um einen
Vordrall zu erreichen.
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1 stellt
ein Blockschaltbild eines vollständigen
Kühlsystems
bei einem Fahrzeug dar, das hauptsächlich einen Motor, ein Hauptsteuerventil 26, das
von einem Thermostaten gesteuert wird, einen möglichen Entspannungs- bzw.
Expansionsbehälter 27,
einen Kühler 28,
eine Umwälzpumpe 29 und
eine Bypassleitung 30 umfasst. Es liegt auf der Hand, dass
auch andere Teile, die nicht für
die Erfindung von Bedeutung sind, vorhanden sein können, die
in der nachstehenden Beschreibung nicht ausgeschlossen werden.
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Das
thermostatisch gesteuerte Ventil 26 besitzt eine erste
und eine zweite Endposition sowie eine Reihe von Zwischenpositionen.
In der ersten Position leitet es die Strömung über den Kühler 28 zur Pumpe 29 und
in der zweiten Position leitet es die Strömung über eine Bypassleitung 30 zur
Pumpe 29. Diese beiden Positionen werden ganz allgemein
anhand der Temperatur der Mediumströmung im Kühlsystem bestimmt, beispielsweise
an kalten Tagen, wobei das Kühlmittel
zu Beginn erst über
die Bypassleitung 30 so lange umgewälzt wird, bis eine bestimmte
Temperatur erreicht ist, und dann wird das Medium durch den Kühler 28 geleitet.
Insbesondere fließt
bei den heutigen Fahrzeugen, die für gewöhnlich eine gute Motorkühlung besitzen,
zu 90% der Zeit über
die Bypassleitung.
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2 und 3 stellen
in stark schematisierter Form das Grundprinzip der Erfindung dar. Ganz
allgemein umfasst die Pumpe 29 ein Gehäuse 10, ein Laufrad 17,
Laufradschaufeln 18, einen ersten Einlass 19,
einen zweiten Einlass 22 und einen hier nicht dargestellten
Auslass. Der Einlass 10 ist mit dem Kühler verbunden, wohingegen
der Einlass 22 im Wesentlichen knapp vor dem Laufrad 17 angeordnet
und mit der Bypassleitung 30 verbunden ist. In 2 ist
nur eine Strömung
aus dem Kühler
in die Pumpe dargestellt, während 3 die
Strömung
von der Bypassleitung 30 über den Einlass 22 dargestellt ist,
wodurch sich eine solche Richtung der Bypassströmung ergibt, dass die Strömung auf
die zentrale Einlassströmung
im Wesentlichen in tangentialer Richtung trifft. Dies führt zu einem
Vordrall in Drehrichtung des Laufrades. Das Ergebnis dieses gelenkten
Zustroms besteht darin, dass wegen des Antriebsmoments beim Vordrall
die Belastung der Antriebswelle der Pumpe verringert wird, sobald
das Steuerventil eine Teilströmung
zur Bypassleitung lenkt. Die Belastung der Antriebswelle der Pumpe steigt
natürlich
in einem Verhältnis
an, das der Menge des Kühlmittels
entspricht, das durch die Bypassleitung fließt.
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Ein
Ausführungsbeispiel
einer Umwälzpumpe 29 gemäß der Erfindung
ist in größeren Einzelheiten
in 4 und 5 dargestellt. Die Umwälzpumpe
umfasst eine erste Gehäusehälfte 10,
welche die Strömungskanäle der Pumpe
aufweist. Eine Trennlinie 11 ist gemeinsam mit einer zweiten
Gehäusehälfte 12 vorgesehen,
welche ein Lager 13 und eine Dichtung 14 für eine Antriebswelle 15 enthält.
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Das
rechte äußere Ende
der Antriebswelle gemäß 4 weist
ein Antriebsrad 16 auf, beispielsweise einen Zahnriemen-Antrieb
oder ein Getriebe in Antriebsbeziehung zu einem Motor. Das gegenüber liegende
Ende der Antriebswelle 15 erstreckt sich in die erste Gehäusehälfte 10 und
stützt
ein Laufrad 17 mit Schaufeln 18 auf.
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Ein
erster zentraler Pumpeneinlass 19 bildet einen gekrümmten Strömungskanal
in Richtung zur Mitte des Laufrades 17 und ist über eine
Leitung mit einem (hier nicht dargestellten) Kühler verbunden, welcher einen
Teil des Kühlsystems
darstellt. Die umlaufenden Laufradschaufeln treiben in herkömmlicher
Weise die Kühlflüssigkeit
an, damit diese von der Einlassseite der Pumpe aus strömt, was
zu einem Anstieg der Strömungsgeschwindigkeit
und zu einem Druck entlang eines schraubenlinienförmigen Kanals 20 führt, der
ab der Mitte der Pumpe hinaus bis zu einem Auslass 21 einen
monoton größer werden
Querschnitt besitzt. Der Auslass ist mit dem Zylinderblock des Motors
verbunden.
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Ein
weiterer Pumpeneinlass 22 ist mit der Bypassleitung des
Kühlsystems
verbunden, die sich zum Steuerventil hin erstreckt, um den Abfluss
aus dem Motor zurück
zur Pumpe parallel zu schalten.
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Das
Steuerventil 26 (1) ist in
dem System enthalten und verbindet den Auslass des Kühlkanals
im Motor mit dem Kühler
des Kühlsystems.
Der Pumpeneinlass 22 bildet sich zu einem schraubenlinienförmigen Kanal 23 um,
der sich mit einer monoton kleiner werdenden Querschnittsfläche in Richtung
zum zentralen Pumpeneinlass 19 hin und parallel zum Kanal 20 erstreckt.
Der Kanal 23 schließt
den zentralen Pumpeneinlass 10 im Wesentlichen knapp vor
dem Laufrad 17 an und leitet die Bypassleitung in der Weise,
dass die Strömung
auf die zentrale Einlassströmung
im Wesentlichen in tangentialer Richtung mit erheblicher Kraft trifft.
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In
gleicher Weise wie zuvor beschrieben führt der so gerichtete Zulauf
zum Laufrad 17 zu einer Untersetzung der Antriebswelle 15 der
Pumpe, sobald das Steuerventil einen Teilstrom zur Bypassleitung
lenkt. Die Belastung der Antriebswelle 15 der Pumpe nimmt
offensichtlich im Verhältnis
zur Menge an Kühlmittel
ab, die durch die Bypassleitung fließt. Wenn die Strömung durch
die Bypassleitung beispielsweise gleich Null oder nahe bei Null
ist, wenn also der Motor unter Volllastbedingungen arbeitet, funktioniert
die Pumpe als herkömmliche
Kühlmittelpumpe.
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Der
Einlass 19 weist einen Abzweiganschluss 24 auf,
welcher die Pumpe mit dem Entspannungsbehälter 27 für das Kühlmittel
auf und hat die Aufgabe, das Kühlsystem
mit Druck zu beaufschlagen. Der Abzweiganschluss ist in Ausrichtung
zur Drehachse des Laufrades angeordnet, wo der Druck niedrig ist.
Als Alternative zu der dargestellten Konstruktion des Abzweiganschlusses
erstreckt sich die Anschlussverbindung mit einem Schlauchanschlussteil
ein Stück
weit in die Pumpe hinein und sorgt für eine bessere Druckbeaufschlagung.
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Ein
weiteres Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist schematisch in 6 dargestellt,
bei welchem der Vordrall dadurch erzeugt wird, dass die Strömung durch
die Bypassleitung 30' geführt wird, die
in willkürlich
gewählter
Anzahl von Windungen um den Einlass 19' herum „verwunden" ist, der im Wesentlichen in axialer
Richtung zur Mitte des Laufrades hin gerichtet ist. Die Leitung 30' verzweigt sich in
zwei Leitungszweige 30'a und 39'b und trägt in den Pumpeneinlass über zwei
Einlässe 22'a bzw. 22'b aus, die in
einer im Wesentlichen tangentialen Erstreckung vom Einlass 19' aus zur Strömung hin
gerichtet sind. Es ist erkennbar, dass eine oder mehrere Zweigleitungen
der Bypassleitung und ein oder mehrere Einlässe derselben vorgesehen sein
können. Der
Durchmesser der Zweigleitungen können
sich auch verändern,
vorzugsweise monoton zum Einlass 22'a bzw. 22'b hin monoton abnehmen.
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Bei
noch einem anderen Ausführungsbeispiel,
das in 7 dargestellt ist, ist ein Teil des Einlasses 19'' in die Bypassleitung 30'' als kurzes Verbindungsstück 31 eingeführt. Knapp
vor dem Laufrad 17'' ist eine Trommel 33 angeordnet,
die mit Schaufeln 32 versehen ist, wobei ein Schnitt durch
diese in 8 dargestellt ist. Die Trommel
ist in ihrer Mitte mit einer Öffnung 34 versehen,
durch welche die Strömung
in das Laufrad 17'' fließt. Das
Verbindungsstück 31 ist
so vorgesehen, dass eine Strömung hauptsächlich zur
offenen Mitte der Trommel 33 im Inneren der innen endenden
Grenzlinie der Schaufel geleitet wird, wohingegen die Strömung von
der Bypassleitung 30'' auf die Schaufeln 32 auftrifft
und aufgrund der gebogenen Schaufeln zur Mitte der schräg stehenden
Form der Trommel 33 eine Strömung im Wesentlichen in tangentialer
Richtung zur Strömung aus
dem Einlass 19'' hin gerichtet
ist und einen Vordrall verursacht.
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Die
Ausführungsform
gemäß diesen
Beispiel kann selbstverständlich
dadurch abgeändert
werden, dass die Lage der Bypassleitung und des Einlasses gemäß 7 verändert wird.
In diesem Fall muss die mit den Schaufeln versehene Trommel in der
Mitte angeordnet werden, zum Beispiel innerhalb oder direkt außerhalb
des Auslasses der Bypass-Strömungsleitung,
so dass die Strömung
zur Strömung aus
dem Einlass hin tangential gerichtet ist.
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Bei
einem Fahrzeug ist der Vorteil der Anordnung einer Vorrichtung an
der Umwälzpumpe
gemäß der Erfindung
von dem Verhältnis
eines Betriebszyklus, bei dem der Motor mit Teillast bzw. Volllast
fährt, abhängig. Praktische
Versuche haben gezeigt, dass die Kraftstoffeinsparung während eines
normalen Betriebszyklus beispielsweise bis zu etwa 5% betragen kann,
wenn die Umwälzpumpe
gemäß der vorliegenden
Erfindung eingesetzt wird.
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Die
Schemazeichnung in 9 stellt in schematisierter
Form beispielhaft den Vorteil des Einsatzes des Vordralls gemäß der Erfindung
dar. Dabei repräsentiert
die horizontale Achse der schematischen Zeichnung den prozentualen
Anteil der Bypassströmung
dar, während
auf der vertikalen Achse die Leistung aufgetragen ist. Die Grafik
A zeigt, dass die Leistung Null beträgt oder im Wesentlichen nahe
Null W liegt, wenn nicht mit Vordrall gearbeitet wird. Andererseits
stellt die Grafik B die Leistung hinsichtlich der Bypassströmung für den Fall
dar, dass mit Vordrall gearbeitet wird. Aus der Zeichnung ist klar
erkennbar, dass bei 100% Strömung
durch die Bypassleitung eine Wirkung von 400 W erzielt wird.
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Bei
einem herkömmlichen
Kühlsystem
wird der Bypasskanal durch Drosselung für ein Abfallen des entsprechenden
Drucks entsprechend dem Druckabfall durch den Kühler dimensioniert, so dass das
Steuerventil in der Lage ist, seinen Zustrom in einer Richtung zu
zwei äquivalenten
Strömungswegen hin
zu steuern. Infolgedessen arbeitet die Pumpe mit der gleichen Belastung
und strömt
die Kühlflüssigkeit entweder
durch den Kühler
oder durch die Bypassleitung. Durch die Auslegung der Umwälzpumpe
gemäß der vorliegenden
Erfindung kann diese Drosselung im Inneren der Pumpe in der Weise
vorgesehen sein, dass die Beschleunigung in der Strömungsgeschwindigkeit
zur Verringerung des Leistungsbedarfs herangezogen wird.
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Bei
einigen Kühlmittelpumpen
wird die Strömung
aus dem Kühler
in das Pumpengehäuse
abgelassen, so dass ein Vordrall erzeugt wird und die Pumpe für gewöhnlich mit
Vordrall arbeitet. Bei einer derartigen Pumpe kann die Strömung aus
der Bypassleitung den vorhandenen Vordrall steigern oder führt bei
einer Nullströmung
aus dem Kühler
zu einem gesteigerten Vordrall.
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Die
Einlassströmung
muss dabei nicht unbedingt in axialer Richtung zum Laufrad hin gerichtet sein,
sondern sie kann teilweise in tangentialer Richtung zum Laufrad
hin gerichtet sein. In diesem Fall ist die Strömung aus der Bypassleitung
zur Einlassströmung
hin in der Weise gerichtet, dass der Vordrall verstärkt wird.
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Die
Erfindung beschränkt
sich nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele, sondern im
Rahmen der beiliegenden Ansprüche sind
mehrere Abänderungen
und Modifizierungen vorstellbar. Zum Beispiel können der Einlass und der Auslass
der Pumpe auf andere Weise angeordnet werden.
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- 10
- erste
Gehäusehälfte der
Pumpe
- 11
- Trennlinie
- 12
- zweite
Gehäusehälfte der
Pumpe
- 13
- Lager
- 14
- Dichtung
- 15
- Antriebswelle
- 16
- Antriebsrad
- 17
- Laufrad
- 18
- Laufradschaufeln
- 19
- Pumpeneinlass
- 20
- Kanal
- 21
- Auslass
- 22
- Pumpeneinlass
- 23
- Kanal
- 24
- Abzweiganschluss
- 25
- Motor
- 26
- Steuerventil
- 27
- Entspannungsbehälter
- 28
- Kühler
- 29
- Pumpe
- 30
- Bypassleitung
- 31
- Verbindungselement
- 32
- Schaufel
- 33
- Trommel
- 34
- Öffnung