EP2646693B1 - Kühlmittelpumpe - Google Patents

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EP2646693B1
EP2646693B1 EP11811520.3A EP11811520A EP2646693B1 EP 2646693 B1 EP2646693 B1 EP 2646693B1 EP 11811520 A EP11811520 A EP 11811520A EP 2646693 B1 EP2646693 B1 EP 2646693B1
Authority
EP
European Patent Office
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pump
coolant
impeller
guide
flow
Prior art date
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Active
Application number
EP11811520.3A
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English (en)
French (fr)
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EP2646693A1 (de
Inventor
Andreas Schmidt
Franz Pawellek
Toni Steiner
Silvio Bischoff
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nidec GPM GmbH
Original Assignee
Nidec GPM GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Nidec GPM GmbH filed Critical Nidec GPM GmbH
Publication of EP2646693A1 publication Critical patent/EP2646693A1/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D1/00—Radial-flow pumps, e.g. centrifugal pumps; Helico-centrifugal pumps
    • F04D1/04—Helico-centrifugal pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D13/00—Pumping installations or systems
    • F04D13/02—Units comprising pumps and their driving means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D13/00—Pumping installations or systems
    • F04D13/02—Units comprising pumps and their driving means
    • F04D13/021—Units comprising pumps and their driving means containing a coupling
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
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    • F04D29/08—Sealings
    • F04D29/10—Shaft sealings
    • F04D29/12—Shaft sealings using sealing-rings
    • F04D29/126—Shaft sealings using sealing-rings especially adapted for liquid pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
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    • F04D29/40—Casings; Connections of working fluid
    • F04D29/42—Casings; Connections of working fluid for radial or helico-centrifugal pumps
    • F04D29/44—Fluid-guiding means, e.g. diffusers
    • F04D29/445—Fluid-guiding means, e.g. diffusers especially adapted for liquid pumps
    • F04D29/448—Fluid-guiding means, e.g. diffusers especially adapted for liquid pumps bladed diffusers

Definitions

  • the invention relates to a mechanical of a pulley, a gear, a stub shaft o.ä. driven coolant pump for internal combustion engines in the design of an axially flowed coolant pump.
  • axially flowed coolant pumps for internal combustion engines are described. These are either by means of electric motor or mechanically eg via pulleys or similar. driven by the crankshaft of the internal combustion engine. So is among other things from the US 6 056 518 A a not provided by a shaft, but by a switched reluctance motor driven, equipped with a Halbaxialerielrad coolant pump described, which is driven by an electric motor Halbaxialflugelrad mounted on its outer circumference in a pump housing with central flow inlet and central flow outlet.
  • the applicant was in the DE 100 47 387 A1 also an already proven in practice, electrically driven, controllable coolant pump for internal combustion engines with a Axialschaufelrad presented in the design of a controllable axially flowed coolant pump.
  • controllable coolant pump for internal combustion engines with axial impellers were also by the applicant in the DE 102 07 653 C1 as well as in the DE 103 14 526 B4 presented.
  • Significant disadvantages of these aforementioned coolant pumps result not least from their drive, and since the electric motors are arranged within the coolant flow, the electric motors used in each case space-constrained always transmitted only limited torques.
  • the inevitably required, waterproof encapsulation of the electric motors inevitably higher production costs.
  • due to the electrical components or electronic components used always comply with upper limits of the temperature load to avoid failure of these components.
  • This coolant pump designed as a controllable axial pump has a hollow shaft driven by a toothed belt pulley, on which a plurality of rotor blades are non-rotatably arranged such that their angle of attack can be adjusted mechanically via a mechanism of action arranged inside the hollow shaft.
  • the actuation of the mechanical Verstellmechanismusses takes place via an actuating element, which can be controlled electrically, electronically, hydraulically or pneumatically.
  • a unilaterally mounted Axialpumpenrad is arranged in a pump housing, wherein the pump has two coolant outlet openings, one of which can be completely closed by means of a arranged after the Axialpumpenrad control element.
  • the in the DE 10 2008 048 893 A1 disclosed solution with a one-sided storage of Axialpumpenrades has the disadvantages that the smallest possible diameter of the pulley is limited by the bearing diameter, and that also the one-sided storage negatively affected the required minimum gap dimensions on Axialpumpenrad, so that due to the design-related, high gap inevitably loss of efficiency must be taken into account.
  • a coolant pump for simultaneous coolant delivery on the one hand in a low-temperature and on the other in a high-temperature circuit, with a low-temperature housing together with low-temperature spiral inside, and a high-temperature housing together with high-temperature spiral inside, with a special coolant pump radial impeller for the simultaneous delivery of coolant into the low-temperature spiral and the high-temperature spiral with a drive shaft for driving the coolant pump radial impeller known.
  • a further coolant pump in a radial construction ie with axial flow inlet, a radial impeller and radial flow outlet known, in which between the drive shaft and the bearing element two rows of rolling elements and a number of sealing arrangements are provided, which effect a seal between the drive shaft and the bearing element.
  • One of the sealing arrangements in this case has a sealing ring which is pressed by elastic means against a back surface of the impeller.
  • axially flowed coolant pumps also an unstable course of the characteristic of the coolant flow over the pump pressure at a constant speed is characteristic, ie if at constant speed (engine speed) a consumer in the coolant circuit partially switched on or off, then changes it the coolant volume flow. Due to the unstable characteristic of these axially flow-through coolant pumps of the prior art, however, this has become very important in the axially flow-through coolant pumps of the prior art adverse impact, sudden, and usually serious change in the respective pump pressure result.
  • the invention is therefore based on the object, a mechanically from a pulley, a gear, a stub shaft o.ä. to develop driven axially flowed coolant pump for internal combustion engines, which avoids the aforementioned disadvantages of the prior art, with respect to the prior art lower installation space / volume and the same, i.
  • FIG. 1 is a possible design of a mechanically driven by a pulley 1, according to the invention axially flowed through coolant pump for internal combustion engines in section, shown in the side view.
  • This inventive, axially flow-through coolant pump with a pump housing 2, a suction inlet side arranged at this flow inlet opening 3 and a pump housing on the pressure side arranged flow outlet 4, a rotatably mounted in / on the pump housing 2 by means of a pump bearing 5, rotatably connected to a pulley 1 pump shaft 6, a on the drive side next to the flow inlet opening 3 in a seal seat 7 in the pump housing 2 between this and the pump shaft 6 arranged pump shaft seal 8, with a rotatably arranged in the pump housing 2 stator 9 with vanes 10, in which a bearing holder 11 is located, in which a sliding bearing 12 is arranged , in which the pump shaft 6 is mounted with its the drive side, for example, the pulley 1, opposite pump shaft end, wherein rotatably on the pump
  • Halbaxialschaufelrad, Francis and diagonal vane wheels are characterized by a three-dimensional spatially curved blade geometry. Under optimal boundary conditions and with minimum gap dimension, such hemi-axial and Francis and diagonal vane wheels can achieve an efficiency of up to 80%, even with speeds that are normal for coolant pumps, due to their spatially curved blades and the radial flow outlet. Compared to the Axialschaufelrastn used in the prior art in axially flowed coolant pump, Halbaxialschaufelrast, Francis and Diagonalschaufelrion cavitation insensitive and allow for limited space a significant increase in pressure.
  • the pump shaft 6 mounted on both sides on the one hand in the pump bearing 5 and the other hand in a sliding bearing 12 in the stator 9 ensures a minimum annular gap 13 between the impeller 14 and the stator 9, wherein the impeller (14) from the stator (9) a minimum annular gap (13) is spaced so that the impeller (14) both the front side of the adjacent outer edge of the guide cone (16), as well as the front side of the adjacent outer edge of the Leithutes (17) is minimally spaced around the annular gap (13), so in that the stator inlet edges running parallel to the impeller outlet edges form two spaced-apart sealing gap geometries, whereby a flow-technically optimal transition of the volumetric flow volume flowing diagonally out of the impeller 14 directly into the stator 9 according to the invention is ensured.
  • the diagonally outward from the impeller 14 exiting flow rate is, characterized in that the impeller 14 is both frontally spaced from the adjacent outer edge of the guide cone 16, as well as the front side of the adjacent outer edge of the Leithutes 17 by a respective minimum annular gap 13 (a "sealing gap"), optimally introduced into the with a minimum annular gap 13 adjacent, inventively constructed stator 9, and immediately after the bounded by the two sealing gap geometries transition region, according to the invention in the stator 9 immediately "deflected".
  • a respective minimum annular gap 13 a "sealing gap”
  • the stator 9 is characterized in that it has an inner, conically tapering in the flow direction cone 16, and spaced therefrom arranged an outer conical Leithut 17, and the traffic cone 16 with the Leithut 17 via three-dimensional, spatially curved vanes 10 is.
  • the coolant pump according to the invention also ensures high reliability and reliability with a very long service life due to its robust fluidic design even when loaded with dirty cargo coolant.
  • cavitation-insensitive pump ensures in its entirety with a minimum volume of construction high efficiency, and allows despite a very limited space a significant increase in pressure and is characterized at the same time by a very compact, manufacturing and assembly technology simple, inexpensive and robust design.
  • the coolant pump according to the invention over the known in the art axially flowed through coolant pumps, due to the arrangement and the interaction of the modules of the invention, surprisingly also characterized in particular by a stable course of the characteristic of the volume flow through the pump pressure at a constant speed.
  • the coolant pump according to the invention allows a very significant increase in the pump pressure compared to the axial coolant pump of the prior art with the same space / installation volume and the same speed.
  • the design shown has an inflow chamber 19, the chamber length L is about 0.9 times the inner diameter D.
  • This inflow chamber 19 according to the invention causes an undisturbed inflow, in particular serves to "even out” the intake volumetric flow and thereby significantly contributes to a further optimization of the effects according to the invention.
  • a guide tongue 18 is arranged on the free flow end of the guide cap 17. According to the invention, this guide tongue 18 avoids eddies in the region of the pressure-side flow outlet and also serves to further optimize the effects according to the invention.
  • the solution according to the invention in its entirety but also that the inventive solution, compared to the axially flowed coolant pumps of the prior art, with completely closed / istschieberten main flow channel 21 requires a much lower drive power of the pump shaft 6, so that the efficiency of the invention, axially flowed through coolant pump is thereby increased again. In this in the FIG.
  • a coolant outlet flange 20 with the main flow channel 21 is arranged in the region of the flow outlet opening 4 on the pump housing 2 of the coolant pump of the invention flowing through axially.
  • This main flow channel 21 opens, as usual in the art, in the coolant circuit and allows, for example in conjunction with actuators, the optimal cooling of the cylinder crankcase, the cylinder head, as well as the cooling of special components, such as exhaust gas recirculation, the exhaust manifold, but also the heat supply of the heating of the passenger compartment, etc.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine mechanisch von einer Riemenscheibe, einem Zahnrad, einer Steckwelle o.ä. angetriebene Kühlmittelpumpe für Verbrennungsmotore in der Bauform einer axial durchströmten Kühlmittelpumpe.
  • Im Stand der Technik sind axial durchströmte Kühlmittelpumpen für Verbrennungsmotore vorbeschrieben. Diese werden entweder mittels Elektromotor oder aber auch mechanisch z.B. über Riemenscheiben o.ä. von der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors angetrieben.
    So ist unter anderem aus der US 6 056 518 A eine nicht über eine Welle, sondern von einem geschalteten Reluktanzmotor angetriebene, mit einem Halbaxialflügelrad ausgestattete Kühlmittelpumpe vorbeschrieben, deren von einem Elektromotor angetriebenes Halbaxialflügelrad an seinem Außenumfang in einem Pumpengehäuse mit zentralem Strömungseintritt und zentralem Strömungsaustritt gelagert ist.
    Von der Anmelderin wurde in der DE 100 47 387 A1 ebenfalls eine bereits in der Praxis bewährte, elektrisch angetriebene, regelbare Kühlmittelpumpe für Verbrennungsmotore mit einem Axialschaufelrad, in der Bauform einer regelbaren axial durchströmten Kühlmittelpumpe vorgestellt.
  • Weitere ebenfalls bereits in der Praxis bewährte, regelbare Kühlmittelpumpen für Verbrennungsmotore mit Axialschaufelrädern wurden von der Anmelderin zudem in der DE 102 07 653 C1 wie auch in der DE 103 14 526 B4 vorgestellt. Wesentliche Nachteile dieser vorgenannten Kühlmittelpumpen resultieren nicht zuletzt aus deren Antrieb, und da die Elektromotore innerhalb des Kühlmittelstromes angeordnet sind können die jeweils eingesetzten Elektromotore bauraumbedingt stets nur begrenzte Drehmomente übertragen. Zudem hat auch die zwangsläufig erforderliche, wasserdichte Kapselung der Elektromotore zwangsläufig höhere Fertigungskosten zur Folge.
    Darüber hinaus sind bei diesen Lösungen, infolge der eingesetzten elektrischen Bauteile bzw. elektronischen Komponenten, stets obere Grenzwerte der Temperaturbelastung einzuhalten um ein Versagen dieser Bauteile zu vermeiden.
    Zudem kann mittels dieser elektromotorisch angetriebenen Kühlmittelpumpen nach einem "Stromausfall" auch kein "Fail-safe" (Weiterfunktionieren der Kühlmittelpumpen nach Ausfall der Regelung) gewährleistet werden.
    Zudem haben Pumpen mit Axialschaufelrädern (wie beispielsweise auch die in der DE 102 07 653 C1 vorgestellte Bauform) bei saugseitiger Drosselung gezeigt, dass sie strömungstechnisch verbesserungsbedürftig sind, da verstärkt Kavitationserscheinungen und Verwirbelungen auftreten, welche einen erhöhten Verschleiß und auch Leistungsverluste zur Folge haben.
    Aus der DE 10 2006 034 952 B4 ist zudem eine mechanisch angetriebene Pumpe mit einem Axialschaufelrad für den Kühlkreislauf einer Verbrennungskraftmaschine bekannt. Diese als regelbare Axialpumpe ausgebildete Kühlmittelpumpe weist eine von einer Zahnriemenscheibe angetriebene Hohlwelle auf, auf der drehfest mehrere Rotorschaufeln derart angeordnet sind, dass deren Anstellwinkel über einen innerhalb der Hohlwelle angeordneten Wirkmechanismus mechanisch verstellt werden können.
    Die Betätigung des mechanischen Verstellmechanismusses erfolgt dabei über ein Stellelement, welches elektrisch, elektronisch, hydraulisch oder auch pneumatisch angesteuert werden kann.
  • In Abhängigkeit vom Anstellwinkel der Rotorschaufeln wird dann das durch das Pumpengehäuse strömende Kühlmittel mehr oder weniger stark beschleunigt. Mittels dieser vorgenannten Kühlmittelpumpe in der Bauform einer von einer Zahnriemenscheibe angetriebenen regelbaren Axialpumpe kann die Kühlleistung wie auch die Antriebsleistung der Kühlmittelpumpen in bestimmten Grenzen variiert werden, wobei das übertragbare Drehmoment, und damit auch der maximale Fördervolumenstrom von der "Belastbarkeit/Haltbarkeit" der verstellbar gelagerten Rotorschaufeln begrenzt wird.
    In der DE 10 2008 048 893 A1 ist eine weitere mechanisch angetriebene Pumpe für den Kühlkreislauf einer Verbrennungskraftmaschine vorbeschrieben. Bei dieser Bauform ist in einem Pumpengehäuse ein einseitig gelagertes Axialpumpenrad angeordnet, wobei die Pumpe über zwei Kühlmittelaustrittsöffnungen verfügt, von denen eine mittels eines nach dem Axialpumpenrad angeordneten Regelorgan vollständig verschlossen werden kann.
    Die in der DE 10 2008 048 893 A1 offenbarte Lösung mit einer einseitigen Lagerung des Axialpumpenrades hat jedoch die Nachteile, dass der kleinstmögliche Durchmesser der Riemenscheibe vom Lagerdurchmesser begrenzt wird, und dass zudem die einseitige Lagerung die erforderlichen Mindest-Spaltmaße am Axialpumpenrad negativ beeinflusst, so dass auf Grund des konstruktiv bedingten, hohen Spaltmaßes zwangsläufig Wirkungsgradverluste in Kauf genommen werden müssen.
    Darüber hinaus ist aus der US 4 865 519 A eine Öl-Tauchpumpe zur Förderung von Rohöl aus "nicht-fließenden" Ölquellen bekannt.
    Das Laufrad ist bei dieser in der US 4 865 519 A vorbeschriebenen Lösung auf die speziellen Bedürfnisse der Förderung von verunreinigtem Rohöl abgestimmt, daher mit Druckentlastungsbohrungen versehen und weist zudem spezielle auf Bedürfnisse des Einsatzes abgestimmte Schaufelformen auf. Diese in der US 4 865 519 A vorbeschriebene Lösung unter zeichnet sich anderem auch dadurch aus, dass die Deckscheibe des Laufrades, mit einem mantelseitig angeordneten Spalt, innerhalb des Mantels des Leitrades liegt, und zwischen dem Laufrad und dem Leitrad, ein auf die Bedürfnisse der Rohölförderung abgestimmter, großer Übergangsraum angeordnet ist.
    Diese erfindungswesentlichen Merkmale der US 4 865 519 A sind in Verbindung mit den speziell ausgestalteten Lauf- und Leitradschaufeln erforderlich, um mittels der in der US 4 865 519 A vorgestellten Öl-Tauchpumpe, selbst mit einstufigen Kopf, bei deutlich reduzierten Produktionskosten und reduzierter Pumpengröße die Ölförderung mit reduziertem Energieverbrauch zu realisieren.
    Diese Lösung nach der US 4 865 519 A würde jedoch im Zusammenhang mit einem analogen Einsatz dieser Ölförderpumpenbauform als KFZ-Kühlmittelpumpe, auf Grund der bei Kühlmittelpumpen gefahrenen Temperatur- und Drehzahlbereiche, unter anderem zwangsläufig zu Kavitationserscheinungen im Kühlmedium, mit all den daraus resultierenden Nachteilen, führen.
    Von der Anmelderin wurde zudem in der DE 10 2009 012 923 B3 eine weitere, ebenfalls in der Praxis bereits bewährte, mechanisch angetriebene, regelbare Kühlmittelpumpe für Verbrennungsmotore in der Bauform einer regelbaren Pumpe mit einem zweiseitig gelagerten Axialpumpenrad vorgestellt, bei der die Kühlmittelaustrittsöffnung mittels eines nach dem Axialpumpenrad angeordneten Regelorgans vollständig verschlossen werden kann.
    Diese Lösung mit einem zweiseitig gelagerten Axialschaufelrad ermöglicht eine deutliche Reduzierung der Spaltmaße und verbessert gegenüber den vorgenannten Bauformen u.a. auch dadurch deutlich den Pumpenwirkungsgrad.
    Allen vorgenannten Bauformen ist gemeinsam, dass das Fördermedium, das Kühlmittel, unmittelbar vor dem jeweiligen Axialschaufelrad etwa bogenförmig, auch über ein Vorleitrad in den Arbeitsbereich des Axialschaufelrades eingeleitet wird und von dort über ringzylindrische Leiteinrichtungen, Leiträder in den mit oder ohne Regeleinrichtung versehenen Druckstutzen gefördert wird. All die bei den axial durchströmten Kühlmittelpumpen des Standes eingesetzten Axialschaufelräder sind kavitationsempfindlich und erzielen mit ihrer zweidimensionalen Schaufelgeometrie selbst bei minimalem Spaltmaß im Bereich der für Kühlmittelpumpen üblichen Drehzahl einen Wirkungsgrad von maximal 50%. Dabei ermöglicht der im Motorraum eines Kraftfahrzeuges vorgegebene, begrenzte Bauraum zwangsläufig auch nur eine stark begrenzte Druckerhöhung.
    Daneben ist aus der US 2010/143109 A1 eine Kühlmittelpumpe zur gleichzeitigen Kühlmittelförderung zum einen in einen Niedertemperatur- und zum anderen in einen Hochtemperatur-Kreislauf, mit einem Niedertemperatur-Gehäuse nebst innen liegender Niedertemperatur-Spirale, und einem Hochtemperatur-Gehäuse nebst innen liegender Hochtemperatur-Spirale, mit einem speziellen Kühlmittelpumpen-Radiallaufrad zur gleichzeitigen Kühlmittelförderung in die Niedertemperatur-Spirale sowie die Hochtemperatur-Spirale mit einer Antriebswelle zum Antreiben des Kühlmittelpumpen-Radiallaufrads bekannt.
    Zudem ist aus der GB 2 088 480 A eine weitere Kühlmittelpumpe in radialer Bauweise, d.h. mit axialem Strömungseintritt, einem Radiallaufrad und radialem Strömungsaustritt bekannt, bei der zwischen der Antriebswelle und dem Lagerelement zwei Reihen von Wälzkörpern und eine Anzahl von Dichtungsanordnungen vorgesehen sind, welche zwischen der Antriebswelle und dem Lagerelement eine Abdichtung bewirken. Eine der Dichtanordnungen weist dabei einen Dichtring auf, der durch elastische Mittel gegen eine Rückenfläche des Flügelrads gedrückt wird.
    Für die im Stand der Technik vorbeschriebenen axial durchströmten Kühlmittelpumpen ist zudem ein instabiler Verlauf der Kennlinie des Kühlmittelvolumenstromes über den Pumpendruck bei konstanter Drehzahl charakteristisch, d.h. wenn bei konstanter Drehzahl (Motordrehzahl) ein Verbraucher im Kühlmittelkreislauf teilweise zu- oder abgeschaltet wird, dann verändert sich damit der Kühlmittelvolumenstrom.
    Auf Grund der instabilen Kennlinie dieser axial durchströmtem Kühlmittelpumpen des Standes der Technik hat dies jedoch bei den axial durchströmtem Kühlmittelpumpen des Standes der Technik eine sich sehr nachteilig auswirkende, plötzliche, und zumeist gravierende Änderung des jeweiligen Pumpendruckes zur Folge.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine mechanisch von einer Riemenscheibe, einem Zahnrad, einer Steckwelle o.ä. angetriebene axial durchströmte Kühlmittelpumpe für Verbrennungsmotore zu entwickeln, welche die vorgenannten Nachteile des Standes der Technik vermeidet, bei gegenüber dem Stand der Technik geringerem Bauraum/Einbauvolumen und gleicher, d.h. für Kühlmittelpumpen üblicher Pumpenwellendrehzahl eine deutliche Erhöhung des Pumpendruckes bei axial durchströmten Kühlmittelpumpen ermöglicht, und die sich gleichzeitig durch eine gegenüber dem Stand der Technik deutlich verbesserte, stabile Kennlinie des Kühlmittelvolumenstromes über den Pumpendruck bei konstanter Drehzahl auszeichnet, zudem kavitationsunempfindlich ist, Verwirbelungen des Fördervolumenstromes vermeidet, gleichzeitig einen sehr hohen Wirkungsgrad gewährleistet, sich darüber hinaus durch eine sehr kompakte, fertigungs- und montagetechnisch einfache, kostengünstige und robuste Bauform auszeichnet und auch selbst bei mit Schmutzfracht beladenem Kühlmittel eine hohe Betriebssicherheit und Zuverlässigkeit bei sehr langer Lebensdauer gewährleistet.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine mechanisch von einer Riemenscheibe, einem Zahnrad, einer Steckwelle o.ä. angetriebene Kühlmittelpumpe für Verbrennungsmotore in der Bauform einer axial durchströmten Kühlmittelpumpe nach den Merkmalen des unabhängigen Anspruches der Erfindung gelöst.
    Vorteilhafte Ausführungen Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung der erfindungsgemäßen Lösung in Verbindung mit der zeichnerischen Darstellung der erfindungsgemäßen Lösung.
  • Nachfolgend wird nun die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit einer dem Ausführungsbeispiel zugeordneten Darstellung, der Figur 1, näher erläutert.
  • In dieser Figur 1 ist eine mögliche Bauform einer mechanisch von einer Riemenscheibe 1 angetriebenen, erfindungsgemäßen axial durchströmten Kühlmittelpumpe für Verbrennungsmotore im Schnitt, in der Seitenansicht dargestellt.
    Diese erfindungsgemäße, axial durchströmte Kühlmittelpumpe mit einem Pumpengehäuse 2, einer an diesem saugseitig angeordneten Strömungseintrittsöffnung 3 und einer am Pumpengehäuse druckseitig angeordneten Strömungsaustrittsöffnung 4, einer im/am Pumpengehäuse 2 mittels eines Pumpenlagers 5 drehbar gelagerten, mit einer Riemenscheibe 1 drehfest verbundenen Pumpenwelle 6, einer antriebseitig neben der Strömungseintrittsöffnung 3 in einem Dichtungssitz 7 im Pumpengehäuse 2 zwischen diesem und der Pumpenwelle 6 angeordneten Pumpenwellendichtung 8, mit einem drehfest im Pumpengehäuse 2 angeordneten Leitrad 9 mit Leitschaufeln 10, in dem sich eine Lageraufnahme 11 befindet, in der ein Gleitlager 12 angeordnet ist, in welchem die Pumpenwelle 6 mit ihrem der Antriebsseite, beispielsweise der Riemenscheibe 1, gegenüberliegenden Pumpenwellende gelagert ist, wobei drehfest auf der Pumpenwelle 6, dem Leitrad 9 mit dem Gleitlager 12 in Richtung der Strömungseintrittsöffnung 3 um einen Ringspalt 13 benachbart, ein Laufrad 14 mit Schaufeln 15 angeordnet ist, zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass das Laufrad 14 ein Halbaxialschaufelrad, ein Francis- oder Diagonalschaufelrad mit dreidimensional räumlich gekrümmten Schaufeln 15 ist.
    Halbaxialschaufelräder, Francis- und Diagonalschaufelräder sind durch eine dreidimensional räumlich gekrümmte Schaufelgeometrie gekennzeichnet.
    Unter optimalen Randbedingungen und bei minimalem Spaltmaß können derartige Halbaxialschaufelräder, Francis- und Diagonalschaufelräder aufgrund ihrer räumlich gekrümmten Schaufeln und dem radialen Strömungsaustritt auch bei für Kühlmittelpumpen üblichen Drehzahlen einen Wirkungsgrad von bis zu 80 % erreichen.
    Gegenüber den im Stand der Technik bei axial durchströmten Kühlmittelpumpen eingesetzten Axialschaufelrädern, sind Halbaxialschaufelräder, Francis- und Diagonalschaufelräder kavitationsunempfindlicher und ermöglichen bei begrenztem Bauraum eine deutliche Druckerhöhung.
    Erfindungswesentlich in diesem Zusammenhang ist, dass die beidseitig einerseits im Pumpenlager 5 und andererseits in einem Gleitlager 12 im Leitrad 9 gelagerte Pumpenwelle 6 einen minimalen Ringspalt 13 zwischen dem Laufrad 14 und dem Leitrad 9 gewährleistet, wobei das Laufrad (14) vom Leitrad (9) um einen minimalen Ringspalt (13) so beabstandet ist, dass das Laufrad (14) sowohl stirnseitig vom benachbarten Außenrand des Leitkegels (16), wie auch stirnseitig vom benachbarten Außenrand des Leithutes (17) um den Ringspalt (13) minimal beabstandet ist, so dass die parallel zu den Laufradaustrittskanten verlaufenden Leitradeintrittskanten zwei voneinander beabstandete Dichtspaltgeometrien ausbilden, wodurch ein strömungstechnisch optimaler Übergang des diagonal aus dem Laufrad 14 ausströmenden Fördervolumenstromes direkt in das erfindungsgemäße Leitrad 9 gewährleistet ist.
    Der diagonal nach außen aus dem Laufrad 14 austretende Fördervolumenstrom wird, dadurch dass das Laufrad 14 sowohl stirnseitig vom benachbarten Außenrand des Leitkegels 16, wie auch stirnseitig vom benachbarten Außenrand des Leithutes 17 um jeweils einen minimalem Ringspalt 13 (einen "Dichtspalt") beabstandet ist, optimal in das mit minimalem Ringspalt 13 benachbarte, erfindungsgemäß aufgebaute Leitrad 9 eingeleitet, und unmittelbar nach dem von den beiden Dichtspaltgeometrien begrenzten Übergangsbereich, erfindungsgemäß im Leitrad 9 sofort "umgelenkt".
  • Das erfindungsgemäße Leitrad 9 zeichnet sich dabei dadurch aus, dass es einen inneren, sich in Strömungsrichtung verjüngenden Leitkegel 16, und einen von diesem beabstandet angeordneten äußeren kegelförmigen Leithut 17 besitzt, und der Leitkegel 16 mit dem Leithut 17 über dreidimensional, räumlich gekrümmte Leitschaufeln 10 verbunden ist.
    Dieser im erfindungsgemäßen Leitrad angeordnete, mit räumlich gekrümmten Leitschaufeln 10 bestückte, sich erfindungsgemäß nach innen verjüngende Raum zwischen dem Leitkegel 16 und dem Leithut 17 bewirkt nun, dass der zunächst diagonal nach außen aus dem erfindungsgemäßen Laufrad 14 austretende, und sofort wieder "umgelenkt" in das Leitrad 9 eintretende Fördervolumenstrom bei seinem Eintritt, und während seines Durchflusses durch das erfindungsgemäße Leitrad 9, im Innern des erfindungsgemäßen Leitrades 9 auf minimalem Bauraum, nahezu verlustfrei, kavitationsfrei und ohne Verwirbelungen, wieder in einen axial aus dem Leitrad 9 austretenden Fördervolumenstrom umgewandelt wird, wobei Kavitationserscheinungen selbst im Hochdrehzahlbereich und selbst bei heißem Kühlmedium ausgeschlossen werden können.
    Die erfindungsgemäße Kühlmittelpumpe gewährleistet zudem auf Grund ihrer robusten strömungstechnischen Gestaltung selbst bei mit Schmutzfracht beladenem Kühlmittel eine hohe Betriebssicherheit und Zuverlässigkeit mit sehr langer Lebensdauer.
    Diese erfindungsgemäße, kavitationsunempfindliche Pumpe gewährleistet in ihrer Gesamtheit bei minimalem Bauvolumen einen hohen Wirkungsgrad, und ermöglicht trotz stark begrenztem Bauraum eine deutliche Druckerhöhung und zeichnet sich dabei gleichzeitig durch eine sehr kompakte, fertigungs- und montagetechnisch einfache, kostengünstige und robuste Bauform aus.
    Dabei ist besonders hervorzuheben, dass sich die erfindungsgemäße Kühlmittelpumpe gegenüber den im Stand der Technik bekannten axial durchströmten Kühlmittelpumpen, infolge der Anordnung und des Zusammenwirkens der erfindungsgemäßen Baugruppen, überraschenderweise zudem insbesondere auch durch einen stabilen Verlauf der Kennlinie des Volumenstromes über den Pumpendruck bei konstanter Drehzahl auszeichnet. D.h. wenn zum Beispiel bei konstanter Drehzahl (Motordrehzahl) ein Verbraucher im Kühlmittelkreislauf teilweise zu- oder abgeschaltet wird, verändert sich zwangsläufig sofort der Kühlmittelvolumenstrom.
    Dies hat jedoch gegenüber Axialkühlmittelpumpen des Standes der Technik mit herkömmlichen Axialschaufelrädern, auf Grund der erfindungsgemäßen stabilen Kennlinie, nun keine Änderung des Pumpendruckes mehr zur Folge. Dabei ermöglicht die erfindungsgemäße Kühlmittelpumpe gegenüber den Axialkühlmittelpumpen des Standes der Technik bei gleichem Bauraum/Einbauvolumen und gleicher Drehzahl eine sehr deutliche Erhöhung des Pumpendruckes.
    In Versuchsreihen wurden mit den mit Axialschaufelrädern ausgestatteten Axialkühlmittelpumpen des Standes der Technik bei etwa gleichem Bauraum/Einbauvolumen Vergleichswerte ermittelt, die belegen, dass bei einer Drehzahl von 12.000 U/min (Hochdrehzahlbereich) mit herkömmlichen Axialkühlmittelpumpen ein Pumpendruck von etwa 1 bar erzielt werden kann. Demgegenüber wurden mittels der hier vorgestellten erfindungsgemäßen Axialkühlmittelpumpe bei gleichem Bauraum und einer analogen Drehzahl von 12.000 U/min ein wesentlich höherer Pumpendruck von etwa 1,7 bar erzielt. Kennzeichnend ist auch, dass sich im Pumpengehäuse 2, unmittelbar vor dem Laufrad 14 eine rotationssymmetrisch zur Pumpenwelle 6 angeordnete Einströmkammer 19 mit einem Innendurchmesser D befindet, deren Kammerlänge L etwa 0,7 bis 1,5-fache des Innendurchmessers D beträgt.
    Die in der Figur 1 dargestellte Bauform weist eine Einströmkammer 19 auf, deren Kammerlänge L etwa das 0,9-fache des Innendurchmessers D beträgt. Diese erfindungsgemäße Einströmkammer 19 bewirkt eine ungestörte Zuströmung, dient insbesondere einer "Vergleichmäßigung" des Ansaugvolumenstromes und trägt dadurch deutlich zu einer weiteren Optimierung der erfindungsgemäßen Wirkungen bei.
  • Erfindungswesentlich ist auch, dass am strömungsaustrittseitigen freien Ende des Leithutes 17 eine Leitzunge 18 angeordnet ist.
    Diese Leitzunge 18 vermeidet erfindungsgemäß Wirbelbildungen im Bereich des druckseitigen Strömungsaustrittes und dient ebenso einer weiteren Optimierung der erfindungsgemäßen Wirkungen.
    Die erfindungsgemäße Lösung bewirkt in Ihrer Gesamtheit aber auch, dass die erfindungsgemäße Lösung, im Vergleich zu den axial durchströmten Kühlmittelpumpen des Standes der Technik, bei vollständig geschlossenem/abgeschieberten Hauptstromkanal 21 eine deutlich geringere Antriebsleistung der Pumpenwelle 6 erfordert, so dass der Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen, axial durchströmten Kühlmittelpumpe auch dadurch nochmals erhöht wird.
    In dieser in der Figur 1 dargestellten Bauform ist im Bereich der Strömungsaustrittsöffnung 4 am Pumpengehäuse 2 der erfindungsgemäßen, axial durchströmten Kühlmittelpumpe ein Kühlmittelaustrittsflansch 20 mit dem Hauptstromkanal 21 angeordnet.
    Dieser Hauptstromkanal 21 mündet, wie im Stand der Technik üblich, in den Kühlmittelkreislauf und ermöglicht, z.B. in Verbindung mit Aktuatoren, die optimale Kühlung des Zylinderkurbelgehäuses, des Zylinderkopfes, wie auch die Kühlung spezieller Komponenten, wie z.B. der Abgasrückführung, des Abgaskrümmers, aber auch die Wärmeversorgung der Heizung des Fahrgastraumes, u.a.m..
    • Bezugszeichenzusammenstellung
    • 1
    Riemenscheibe
    2
    Pumpengehäuse
    3
    Strömungseintrittsöffnung
    4
    Strömungsaustrittsöffnung
    5
    Pumpenlager
    6
    Pumpenwelle
    7
    Dichtungssitz
    8
    Pumpenwellendichtung
    9
    Leitrad
    10
    Leitschaufel
    11
    Lageraufnahme
    12
    Gleitlager
    13
    Ringspalt
    14
    Laufrad
    15
    Schaufel
    16
    Leitkegel
    17
    Leithut
    18
    Leitzunge
    19
    Einströmkammer
    20
    Kühlmittelaustrittsflansch
    21
    Hauptstromkanal
    D
    Innendurchmesser
    L
    Kammerlänge

Claims (5)

  1. Kühlmittelpumpe in der Bauform einer mechanisch angetriebenen Kühlmittelpumpe für Verbrennungsmotore mit einem Pumpengehäuse (2) mit einer Strömungseintrittsöffnung (3) und einer Strömungsaustrittsöffnung (4), einer im/am Pumpengehäuse (2) mittels eines Pumpenlagers (5) drehbar gelagerten Pumpenwelle (6), einer antriebseitig neben der Strömungseintrittsöffnung (3) in einem Dichtungssitz (7) im Pumpengehäuse (2) zwischen diesem und der Pumpenwelle (6) angeordneten Pumpenwellendichtung (8), mit einem drehfest im Pumpengehäuse (2) angeordneten Leitrad (9) mit Leitschaufeln (10), in dem sich eine Lageraufnahme (11) befindet, in der ein Gleitlager (12) angeordnet ist, in welchem die Pumpenwelle (6) mit ihrem der Antriebsseite gegenüberliegenden Pumpenwellenende gelagert ist, wobei drehfest auf der Pumpenwelle (6), dem Leitrad (9) mit dem Gleitlager (12) in Richtung der Strömungseintrittsöffnung (3) um einen Ringspalt (13) benachbart, ein Laufrad (14) mit Schaufeln (15) angeordnet ist, und dass die Strömungseintrittsöffnung (3) seitlich von der Mittenachse der Pumpenwelle (6) angeordnet ist, so dass der Strömungseintritt schräg zur Rotationsachse des Laufrades (14) erfolgt, dadurch gekennzeichnet,
    - dass das Laufrad (14) ein Halbaxialschaufelrad, mit dreidimensional räumlich gekrümmten Schaufeln (15) ist, und
    - dass das drehfest im Pumpengehäuse (2) angeordnete Leitrad (9) einen inneren, sich in Strömungsrichtung verjüngenden Leitkegel (16) und einen von diesem beabstandet angeordneten äußeren kegelförmigen Leithut (17) besitzt, und
    - dass der Leitkegel (16) mit dem Leithut (17) symmetrisch voneinander beabstandet über dreidimensional, räumlich gekrümmte Leitschaufeln (10) verbunden ist, und
    - dass das Laufrad (14) vom Leitrad (9) um einen minimalen Ringspalt (13), in Form eines Dichtspaltes, beabstandet ist, wobei das Laufrad (14) stirnseitig vom benachbarten Außenrand des Leitkegels (16) wie auch vom benachbarten Außenrand des Leithutes (17) um einen Ringspalt (13), in Form eines Dichtspaltes, minimal beabstandet ist, und
    - dass sich im Pumpengehäuse (2), unmittelbar vor dem Laufrad (14) eine rotationssymmetrisch zur Pumpenwelle (6) angeordnete Einströmkammer (19) mit einem Innendurchmesser (D) befindet, deren Kammerlänge (L) im Bereich des 0,7 bis 1,5-fachen des Innendurchmessers (D) liegt.
  2. Kühlmittelpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am freien Ende des Leithutes (17) eine Leitzunge (18) angeordnet ist.
  3. Kühlmittelpumpe nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Strömungsaustrittsöffnung (4) am Pumpengehäuse (2) ein Kühlmittelaustrittsflansch (20) angeordnet ist.
  4. Kühlmittelpumpe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanisch angetriebene Kühlmittelpumpe von einer Riemenscheibe (1), einem Zahnrad oder einer Steckwelle in Rotation versetzt wird.
  5. Kühlmittelpumpe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Laufrad (14) ein Francis- oder Diagonalschaufelrad mit dreidimensional räumlich gekrümmten Schaufeln (15) ist.
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