ITUB201571309U1 - Gruppo pompa ad azionamento elettrico ed azionamento meccanico - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

Il presente trovato riguarda un gruppo pompa per un impianto di raffreddamento di un veicolo, preferibilmente per il raffreddamento di un motore, ad esempio a combustione interna.

Come è noto, durante il normale utilizzo di un motore, è opportuno variare l’intensità dell’azione di raffreddamento.

Ad esempio, è opportuno un raffreddamento intenso quando il motore lavora a pieno regime o in condizioni di traino o su una strada in salita o con temperature ambientali elevate.

In altre condizioni di utilizzo è invece opportuno che il raffreddamento non sia accentuato, ad esempio all’avviamento del motore o al termine dell’utilizzo. Nello stato della tecnica sono note pompe di raffreddamento nelle quali è stata affrontata tale necessità.

Sono infatti note pompe di raffreddamento per veicoli ad azionamento elettrico, nelle quali mediante un azionamento elettrico è regolata la velocità di rotazione della girante e dunque è regolato il quantitativo di liquido refrigerante da essa movimentato in circolo nell’impianto di raffreddamento. Purtroppo, tali pompe, sebbene siano estremamente versatili nella loro applicazione e nelle possibilità di gestione della rotazione grazie al controllo elettronico dedicato, hanno tipicamente basse potenze di erogazione, limitate dalla potenza elettrica messa a disposizione dall’impianto elettrico del veicolo.

Inoltre tali pompe non presentano la caratteristica di “fail-safe” in caso di guasto, ossia della possibilità di funzionamento d’emergenza quando il motore elettrico ha subito una rottura.

Sono anche note pompe ad azionamento meccanico in cui la rotazione della girante è legata al numero di giri del motore a combustione interna; in tali soluzioni, la regolazione del quantitativo di liquido refrigerante è demandato ad appositi elementi di regolazione, posti a monte o a valle della girante, adatti a cambiare una sezione di passaggio del circuito variando così la portata di liquido refrigerante.

Purtroppo, tali soluzioni sebbene siano adatte ad erogare elevate potenze risultando particolarmente affidabili, hanno una gestione del raffreddamento meno versatile, legata al regime del motore e alle caratteristiche dell’elemento di regolazione, e sono tipicamente sovradimensionate.

Inoltre, in una configurazione “post-run”, ossia a motore spento, non è eseguito alcun raffreddamento.

In ultimo, sono anche note pompe ad azionamento duale, ossia comprendenti sia un azionamento elettrico che un azionamento meccanico.

Purtroppo, tali pompe presentano una gestione dei due azionamenti particolarmente complessa, così come una struttura articolata.

Scopo della presente invenzione è quello di fornire un gruppo pompa per un impianto di raffreddamento di un veicolo, ad esempio per un motore a combustione interna, che soddisfi le esigenze di cui si è detto, superando gli inconvenienti menzionati.

Tale scopo è raggiunto da un gruppo pompa realizzato in accordo con la rivendicazione 1. Le rivendicazioni da questa dipendenti si riferiscono a varianti di realizzazione preferite, aventi ulteriori aspetti vantaggiosi.

L’oggetto della presente invenzione è di seguito descritto nel dettaglio, con l’ausilio delle tavole allegate, in cui:

- la figura 1 illustra uno schema di un impianto di raffreddamento di un veicolo, in accordo con una possibile forma di realizzazione;

- la figura 2 rappresenta una vista in sezione di un gruppo pompa, presentato a scopo illustrativo;

- la figura 3 rappresenta un gruppo pompa secondo una forma di realizzazione della presente invenzione;

- la figura 4 mostra una vista in sezione del gruppo pompa della figura 3, in cui sono evidenti i componenti di un azionamento meccanico con puleggia elettromagnetica;

- la figura 5 mostra una vista in sezione del gruppo pompa della figura 3, in cui sono evidenti i componenti di un azionamento elettrico;

- la figura 6 contiene un grafico che rappresenta le fasi di funzionamento di un gruppo pompa, in accordo con una forma preferita di realizzazione, ed in particolare illustra l’andamento della velocità di rotazione della girante in funzione della velocità di rotazione dell’azionamento elettrico e dell’azionamento meccanico.

Con riferimento alle tavole suddette, con il numero di riferimento 1 si è contraddistinta, nella sua totalità, una pompa di un impianto di raffreddamento 500 per un motore 550, preferibilmente a combustione interna, in accordo con una variante di realizzazione dell’invenzione.

L’impianto di raffreddamento 500 comprende un circuito 502 per il trasporto del liquido refrigerante, un termostato 503 ed un radiatore 504. Il circuito 502 presenta un ramo di uscita 502a, in cui transita il liquido da refrigerare, posto fra il motore 550 ed il radiatore 504, un ramo di ritorno 502b, in cui transita il liquido refrigerato, posto fra il radiatore 504 e la pompa 1, ed un ramo di by-pass 502c che collega il ramo di uscita 502a con il ramo di ritorno 502b, bypassando il radiatore 504. Lungo il ramo di uscita 502a, è tipicamente posto il termostato 503, dal quale parte il ramo di by-pass 502c.

La pompa 1 comprende un gruppo pompa 10, che comprende una girante 12, ed un corpo pompa comprendente una camera girante, in comunicazione con il circuito di raffreddamento 502 dell’impianto 500. Il gruppo pompa 10 si impegna con il corpo pompa in modo che la girante sia alloggiata nella camera girante, così da movimentare il liquido refrigerante del circuito.

Ad esempio, il corpo pompa è realizzato quale corpo a sé stante, sul quale viene applicato il gruppo pompa, e l’intero assieme è collegato al circuito di raffreddamento e, tipicamente, applicato al motore; in ulteriori forme di realizzazione, il corpo pompa è realizzato quale porzione del motore a combustione interna ed il gruppo pompa è quindi direttamente applicato al motore.

La girante 12, azionabile in rotazione attorno ad un asse di rotazione X, è ad esempio di tipo radiale, ossia prevede che il flusso di liquido in ingresso abbia una direzione complessiva sostanzialmente assiale e il flusso di liquido in uscita abbia una direzione radiale.

Il gruppo pompa 1 comprende inoltre un albero 13, che si estende lungo l’asse di rotazione X, fra un’estremità girante 14 ed un’opposta estremità 15; la girante 2 è montata sull’albero 13, in corrispondenza dell’estremità girante 14, ed è preferibilmente calettata su di questo.

Il gruppo pompa 10 prevede un azionamento duale, ossia è azionabile sia meccanicamente che elettricamente. A tale scopo, il gruppo pompa 10 comprende un azionamento elettrico 4 e un azionamento meccanico 5.

L’albero 13 comprende una porzione di azionamento elettrico 34 adatta a ricevere l’azione dell’azionamento elettrico 4 e una porzione di azionamento meccanico 35 adatta a ricevere l’azione dell’azionamento meccanico 5.

Preferibilmente, la porzione di azionamento meccanico 35 è localizzata all’estremità 15 dell’albero 13, opposta all’estremità girante 14, mentre la porzione di azionamento elettrico 34 è localizzata tra l’estremità girante 14 e la porzione di azionamento meccanico 35. L’azionamento meccanico 5 comprende una puleggia 51 per una cinghia di trasmissione collegata, ad esempio tramite una catena cinematica, all’albero motore.

Preferibilmente, la puleggia 51 è una puleggia elettromagnetica normalmente in presa (figura 4).

In particolare, la puleggia 51 comprende un anello esterno 51a sul quale viene montata la cinghia di trasmissione, un anello interno 51b ed un meccanismo di sgancio intermedio che comprende una bobina intermedia. L’anello interno 51b costituisce, in tale forma di realizzazione, l’anello conduttore di un primo innesto unidirezionale 52, comprendente inoltre un anello condotto 54, montato solidalmente in rotazione sulla porzione di azionamento meccanico 35 dell’albero 13. Normalmente, ossia quando la puleggia 51 elettromagnetica non è eccitata elettricamente, l’anello esterno 51a è solidale in rotazione con l’anello interno 51b.

In tale configurazione di puleggia disattivata, se l’anello interno 51b ha una velocità di rotazione maggiore di quella dell’anello condotto 54, l’albero 13 è trascinato in rotazione meccanicamente.

Quando la puleggia 51 elettromagnetica viene attivata, ossia la bobina viene eccitata elettricamente, il meccanismo di sgancio provvede a disimpegnare l’anello esterno 51a dall’anello interno 51b, così che l’anello esterno 51a, pur azionato in rotazione dalla cinghia, non trasmette alcuna rotazione all’anello interno 51b e quindi all’albero 13.

Preferibilmente, l’innesto unidirezionale 52 comprende anche un cuscinetto volvente, ad esempio a rulli, avente corpi volventi posti fra l’anello condotto e l’anello conduttore.

L’azionamento elettrico 4 comprende un motore elettrico comprendente un rotore 41, supportato dall’albero 13, uno statore 42 fisso coassiale al rotore 41 ed un secondo innesto unidirezionale 43 operativamente disposto fra il rotore 41 e l’albero 13 (figura 5).

In particolare, il secondo innesto unidirezionale 43 è montato sulla porzione di azionamento elettrico 34 dell’albero 13; il rotore 41 è a sua volta montato sul secondo innesto unidirezionale 43, mentre lo statore 42, fisso, circonda il rotore.

Operativamente, il secondo innesto unidirezionale 43 è identico al primo innesto unidirezionale 52.

In particolare, la porzione di azionamento elettrico 34 è trascinata in rotazione dal rotore 41 quando la velocità di rotazione del rotore 41 è maggiore della velocità di rotazione dell’albero 13; in tal caso, l’albero 13 è trascinato in rotazione elettricamente. Preferibilmente, il secondo innesto unidirezionale 43 comprende anche un cuscinetto volvente, ad esempio a rullini.

Esternamente, dall’estremità girante 14 verso l’estremità opposta 15, il gruppo pompa 10 comprende, di preferenza, una piastra di supporto 61 destinata al collegamento del gruppo pompa 10 al motore o al supporto motore.

La piastra di supporto 61 è cava ed è attraversata dall’albero 13, dalla quale sporge, da una parte, l’estremità girante 14 e la girante 12 su di questa montata.

Preferibilmente, la piastra di supporto 61 è provvista internamente di una sede per un cuscinetto volvente 62, ad esempio a sfere, per il supporto dell’albero 13.

Inoltre, il gruppo pompa 10 comprende un involucro 63, affiancato alla piastra di supporto 61.

L’involucro 63 contiene e supporta lo statore 42 e di preferenza alloggia un ulteriore cuscinetto volvente 64, ad esempio a rulli, per il supporto dell’albero 13. Ad esempio, il cuscinetto 64 è affiancato alla porzione di azionamento elettrico 34.

Dall’involucro 63, da parte opposta alla girante 12, sporge la porzione di azionamento meccanico 15; il primo innesto unidirezionale 52 è quindi posto all’esterno dell’involucro 63, così come, ovviamente, la puleggia 51.

Inoltre, il gruppo pompa 10 comprende un dispositivo di controllo 45 elettronico adatto a comandare l’azionamento del motore elettrico e di altri eventuali componenti comandabili elettricamente, ad esempio costituito da una scheda elettronica.

Preferibilmente, il dispositivo di controllo 45 è alloggiato in prossimità della girante 12, ad esempio a contatto con la piastra di supporto 61, così da consentire una buona dissipazione del calore.

Secondo una forma preferita di realizzazione, inoltre, il gruppo pompa 10 comprende una valvola di parzializzazione 7, inseribile nel corpo pompa in modo da trovarsi disposta lungo un condotto di uscita dalla camera girante.

La valvola 7 è comandabile tramite un attuatore (non illustrato), ad esempio elettrico, oleodinamico o a vuoto, preferibilmente comandabile dal dispositivo di controllo 45.

Le caratteristiche di tale valvola sono illustrate nei documenti EP2534381, EP13188771, EP13801735, WO2015/059586 e BS2014A000171 a nome della Richiedente. Secondo una ulteriore forma di realizzazione, il gruppo pompa 10 comprende, a monte della girante 12, una cartuccia di regolazione adatta a regolare la quantità di liquido refrigerante verso la girante 12.

Le caratteristiche di detta cartuccia di otturazione sono illustrate ad esempio nel documento WO2015/004548 a nome della Richiedente.

L’azionamento elettrico 4 e la puleggia elettromagnetica 51 sono controllati elettronicamente in funzione del verificarsi di talune condizioni durante l’utilizzo del veicolo.

In una configurazione normale, la puleggia 51 non è eccitata e l’azionamento elettrico 4 è disattivato, per cui l’albero 13 è azionato solo meccanicamente.

Ad esempio, all’avviamento del veicolo, quando il motore è ancora freddo (configurazione cosiddetta di “warm-up”), la puleggia 51 elettromagnetica viene attivata, in modo da disinnestare l’albero 13 dall’azionamento meccanico, mentre l’azionamento elettrico 4 è lasciato disattivato.

La girante 12 rimane quindi ferma, il liquido non circola nel circuito ed il motore procede più velocemente verso il riscaldamento.

Secondo un ulteriore esempio, in condizioni di carico elevato, ad esempio quando il veicolo trascina un traino oppure affronta una strada in salita, tipicamente a bassa velocità (per cui, con bassi giri del motore), l’azionamento elettrico 4 viene attivato in modo da portare l’albero 13 in rotazione ad una velocità di rotazione maggiore di quella della puleggia 51.

In tal modo, la girante 12 ruota ad una velocità di rotazione maggiore di quella che renderebbe disponibile l’azionamento meccanico.

Vantaggiosamente, in tale configurazione, il primo innesto unidirezionale svincola in rotazione l’albero 13 dall’anello esterno 51a della puleggia, diminuendo le masse trascinate in rotazione dall’azionamento elettrico.

Secondo un ulteriore esempio, al termine dell’utilizzo del veicolo, se il liquido refrigerante è ancora molto caldo, l’azionamento elettrico 4 viene attivato in modo da portare l’albero 13 in rotazione.

In tal modo, la girante 12 ruota ad una predefinita velocità di rotazione, mentre l’azionamento meccanico è del tutto inattivo, poiché il motore è fermo.

Anche in tal caso, il primo innesto unidirezionale svincola in rotazione l’albero 13 dall’anello esterno 51a della puleggia, diminuendo le masse trascinate in rotazione dall’azionamento elettrico.

In generale, quindi, l’azionamento elettrico 4 viene attivato ogni volta che sia necessario incrementare la capacità di raffreddamento, indipendentemente dall’azionamento meccanico 5, vincolato al regime motore.

A titolo di esempio, con riferimento alla figura 6, è mostrato un ciclo di lavoro del gruppo pompa 10. In particolare è mostrato l’andamento nel tempo della velocità di rotazione della girante 12 in funzione delle velocità di rotazione indotte dall’azionamento elettrico 4 e dall’azionamento meccanico 5.

Nel diagramma sono pertanto mostrate alcune fasi di lavoro del gruppo pompa 10 nelle quali la girante 12 è movimentata dall’azionamento meccanico 5 ed altre fasi di lavoro nelle quali la girante 12 è invece movimentata dall’azionamento elettrico 4.

In particolare, nell’ultima fase temporale mostrata sul grafico è rappresentata una fase di “post run”, nella quale il motore endotermico 550 è spento e non è presente alcun azionamento meccanico, ma la rotazione della girante 12 è garantita dall’azionamento elettrico 4.

Innovativamente, il gruppo pompa oggetto della presente invenzione soddisfa le esigenze di raffreddamento del motore e supera gli inconvenienti di cui si è detto. In primo luogo, vantaggiosamente, il gruppo pompa secondo l’invenzione è molto flessibile, in quanto risponde alle esigenze di raffreddamento del veicolo in funzione dell’effettiva richiesta e non in funzione del regime motore o della disponibilità di potenza elettrica dell’impianto.

Inoltre, vantaggiosamente, la girante (e la camera girante con la voluta) risulta essere più compatta e non sovradimensionata, ed operante sempre in condizioni di rendimento ottimale rispetto ai gruppi pompa noti, ove la girante è sovente sovradimensionata per compensare la scarsa flessibilità delle pompe meccaniche e le limitate potenze delle pompe elettriche.

Inoltre, vantaggiosamente, il gruppo pompa è in grado addirittura di evitare l’azione di raffreddamento, nonostante il motore sia in marcia, quando, ad esempio in condizioni di “warm-up”, sia opportuno riscaldare il motore.

Vantaggiosamente, inoltre, il gruppo pompa presenta la caratteristica di “fail-safe”, infatti, in caso di un guasto dell’azionamento elettrico il gruppo pompa, grazie all’azionamento meccanico e al secondo innesto unidirezionale, continua a garantire la movimentazione della girante.

Secondo un ulteriore aspetto vantaggioso, l gruppo pompa è operativo in condizioni “post-run”, ossia a motore spento.

Un ulteriore aspetto vantaggioso consiste nel fatto che il gruppo pompa presenta un assorbimento di potenza più contenuto rispetto alle comuni pompe meccaniche.

Inoltre, vantaggiosamente, il secondo innesto unidirezionale consente, in una configurazione in cui la girante è portata in rotazione dall’azionamento meccanico, che il rotore non sia trascinato in rotazione dall’albero; non si producono pertanto attriti magnetici (né l’assieme rotore-statore lavora da generatore elettrico).

Vantaggiosamente, inoltre, il passaggio dall’azionamento elettrico all’azionamento meccanico e viceversa è gestito meccanicamente dagli innesti unidirezionali. Pertanto, vantaggiosamente, la gestione elettronica del gruppo pompa è molto semplice.

E' chiaro che un tecnico del settore, al fine di soddisfare esigenze contingenti, potrebbe apportare modifiche al gruppo pompa tutte contenute nell'ambito di tutela come definito dalle rivendicazioni seguenti. Inoltre, ciascuna variante descritta come appartenente ad una possibile forma di realizzazione è realizzabile indipendentemente dalle altre varianti descritte.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1. Gruppo pompa (1) per un impianto di raffreddamento (500) di un motore (550) di un veicolo, comprendente: - una girante (12) ruotabile attorno ad un asse di rotazione (X); - un albero (13), che si estende lungo detto asse di rotazione (X) fra un’estremità girante (14) ed un’opposta estremità (15), detta girante (12) essendo montata solidale in rotazione all’estremità girante (14) dell’albero (13); - un azionamento meccanico (4) comprendente: i) un primo innesto unidirezionale (52) montato su una porzione di azionamento meccanico (35) dell’albero (13), detta porzione di azionamento meccanico (35) essendo disposta all’estremità (15) opposta all’estremità girante (14), e ii) una puleggia (51) montata su detto primo innesto (52); - un azionamento elettrico (5) comprendente i) un secondo innesto unidirezionale (43) montato su una porzione di azionamento elettrico (34) dell’albero (13), detta porzione di azionamento elettrico (34) essendo disposta fra la porzione di azionamento meccanico (35) e l’estremità girante (12); ii) un rotore (41) montato sul secondo innesto (43), e iii) uno statore (42) fisso coassiale al rotore (41).
2. 2. Gruppo pompa secondo la rivendicazione 1, comprendente un involucro (63) esterno, che supporta lo statore (42) e in cui è alloggiata la porzione di azionamento elettrico (34), detta estremità girante (12) sporgendo da una parte dell’involucro (63) e detta porzione di azionamento meccanico (35) essendo sporgente dall’altra parte dell’involucro (63).
3. 3. Gruppo pompa secondo la rivendicazione 2, comprendente una piastra di supporto (61), affiancata all’involucro (63), dalla quale sporge la girante (12).
4. 4. Gruppo pompa secondo la rivendicazione 3, in cui la piastra di supporto (61) è provvista internamente di una sede per un cuscinetto volvente (62), ad esempio a sfere, per il supporto dell’albero (13).
5. 5. Gruppo pompa secondo la rivendicazione 2 o 3 o 4, in cui l’involucro (63) alloggia un cuscinetto volvente (64), ad esempio a rulli, per il supporto dell’albero (13).
6. 6. Gruppo pompa secondo la rivendicazione 5, in cui il cuscinetto (64) è affiancato alla porzione di azionamento elettrico (34).
7. 7. Gruppo pompa secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la puleggia (51) è elettromagnetica e normalmente in presa.
8. 8. Pompa di raffreddamento (1) comprendente - un corpo pompa avente una camera girante; e - un gruppo pompa (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, accoppiabile al corpo pompa in modo che la girante (12) sia alloggiata nella camera girante.
9. 9. Pompa secondo la rivendicazione 8, in cui il corpo pompa è separato dal motore e collegabile a questo per essere supportato in posizione.
10. 10. Pompa secondo la rivendicazione 8, in cui il corpo pompa è una porzione del motore.