JP2013545021A - 冷却液ポンプ - Google Patents

Abstract

本発明は、軸流式の冷却液ポンプ形式の、プーリー、ギア、スタブシャフト等によって機械式に駆動される内燃機関用冷却液ポンプに関する。
本発明の課題は、プーリー、ギア、スタブシャフト等によって機械式に駆動される内燃機関用の軸流式の冷却液ポンプを改良することにある。この冷却液ポンプは、上述した従来の技術の欠点を排除し、当該従来の技術以下の小さい設置スペース／設置容積のときでも、すなわち通常のポンプ軸回転数の冷却液ポンプに対して、軸流式の冷却液ポンプでのポンプ圧力の大幅な上昇を可能にする。そして、この冷却液ポンプは同時に、一定の回転数のときのポンプ圧力下にある冷却液体積流量の、従来の技術に比べて大幅に改良された安定な特性を特徴とし、さらにキャビテーションを起こしにくく、搬送体積流量の乱流を阻止し、同時に非常に高い効率を保証し、さらに非常にコンパクトで、製造技術的に且つ組み立て技術的に簡単で、安価で且つ丈夫な構造を特徴とし、冷却液が汚濁負荷に曝されているときでも、高い信頼度及び信頼性を非常に長い寿命で保証する。
本発明の冷却液ポンプは、３次元空間的に湾曲された羽根１５付きの混合流羽根車、フランシス形羽根車又は斜流羽根車が、回転子１４として使用されていること及び前記ポンプ本体２内に配置された前記ガイドホイール９が、流れ方向に次第に細くなっている内側のガイドコーン１６と、このガイドコーン１６から間隔をあけて配置された外側の円錐形のガイドギャップ１７とを有し、当該双方が、３次元空間的に湾曲されたガイドベーン１０を介して対称に互いに間隔をあけて互いに結合されていることを特徴とする。この場合、回転子１４が、ガイドコーン１６の隣接した外縁の前面とガイドキャップ１７の隣接した外縁の前面との双方からリングギャップ１３だけ最小限に離れているように、この回転子１４が、ガイドホイール９から最小の当該リングギャップ１３だけ離れている。

Description

本発明は、軸流式の冷却液ポンプ形式の、プーリー、ギア、スタブシャフト等によって機械式に駆動される内燃機関用冷却液ポンプに関する。

従来の技術では、内燃機関用の軸流式の冷却液ポンプが開示されている。当該軸流式の冷却液ポンプは、電動機によって駆動されるか又は例えばプーリー等を介して内燃機関のクランクシャフトによって機械式にも駆動される。

制御可能な軸流式の冷却液ポンプ方式の、実際に確実に制御可能な電気で駆動される軸流羽根車を有する内燃機関用冷却液ポンプが、独国特許出願公開第１００４７３８７号明細書に本出願人によって記されている。

また、同様に、実際に確実に制御可能な軸流羽根車を有する内燃機関用冷却液ポンプが、独国特許第１０２０７６５３号明細書及び独国特許第１０３１４５２６号明細書によって本出願人によって既に記されている。これらの説明した冷却液ポンプの主な欠点は、特にその駆動部に由来し、これらの電動機が、冷却液の流れの中に配置されているので、使用されたそれぞれの電動機が、その設置スペースに起因して常に制限されたトルクしか伝達できない。さらに、必ず必要な電動機の防水容器も、製造コストを必然的により高くさせる。さらに、これらの解決手段では、使用された電気部品又は電子部品に起因して、当該部品の故障を阻止するために温度負荷の上限値に常に注意する必要がある。

さらに、当該電子式に駆動される冷却液ポンプによれば、「電力停止」後は、フェイルセーフ（冷却液ポンプが、制御の停止後に機能し続けること）も保証され得ない。

さらに、（例えば、独国特許第１０２０７６５３号明細書でも記された構造のような）軸流羽根車を有するポンプが、流体技術的に改良される必要があることが、当該軸流羽根車を有するポンプは、その吸引側のスロットルにおいて指摘されている。何故なら、摩耗及び出力損失を高めるキャビテーション及び乱流が、激しく発生するからである。

さらに、内燃機関の冷却循環路用の軸流羽根車を有する機械式に駆動されるポンプが、独国特許第１０２００６０３４９５２号明細書から公知である。制御可能な軸流ポンプとして形成されたこの冷却液ポンプは、歯付プーリーによって駆動される中空軸を有する。複数の動翼の作動角度が、この中空軸内に配置された角度機構によって機械式に調整され得るように、これらの動翼が、この中空軸に固着配置されている。この場合、当該機械式の調整機構は、調整要素によって操作される。この調整要素は、電気式に、電子式に、油圧式に又は空気圧式に制御され得る。

このとき、ポンプ本体を流れる冷却液が、当該動翼の作動角度に応じて或る程度まで強く加速される。歯付プーリーによって駆動される制御可能な軸流ポンプ形式の当該上述した冷却液ポンプによって、当該冷却液ポンプの冷却出力及び駆動出力が、一定の範囲内で変更され得る。この場合、伝達可能なトルク及び最大の搬送体積流量が、調整可能に支承された動翼によって限定される。

独国特許出願公開第１０２００８０４８８９３号明細書には、内燃機関の冷却循環路用の機械式に駆動される別のポンプが記されている。当該構造では、片側で支承された軸流ポンプ羽根が、ポンプ本体内に配置されている。この場合、当該ポンプは、２つの冷却液流出口を有する。これらの冷却液流出口のうちの１つの冷却液流出口が、この軸流ポンプ羽根の後に配置された制御装置によって完全に閉鎖され得る。

しかしながら、当該軸流ポンプ羽根を片側で支承しているこの独国特許出願公開第１０２００８０４８８９３号明細書に開示された解決手段には、プーリーの最小に可能な直径が、当該支承部分の直径によって制限され、さらに当該片側の支承が、軸流ポンプ羽根に対する最小クリアランスに悪影響を及ぼす結果、当該構造による大きいクリアランスに起因して、効率損失を必然的に我慢する必要があるという欠点がある。

さらに、「自噴しない」油井から原油を採掘するための油井ポンプが、米国特許第４８６５５１９号明細書から公知である。

この米国特許第４８６５５１９号明細書に記されている解決手段では、回転子が、不純物を含む原油を採掘する特殊な要求に適合されていて、それ故に圧力開放孔を有し、使用の要求に適合された特殊な羽根形状を成す。

特に、この米国特許第４８６５５１９号明細書に記されている当該解決手段は、回転子のカバーディスクが、外装側に配置されたギャップを伴って、この回転子の当該外装内に存在し、原油の採掘の要求に適合された大きい遷移空間が、この回転子とガイドホイールとの間に配置されていることも特徴とする。

当該特殊に構成された回転子及びガイドホイール羽根に関連する、この米国特許第４８６５５１９号明細書に記載のこれらの発明の重要な特徴は、この米国特許第４８６５５１９号明細書に記された一段式のヘッドだけを有する油井ポンプを用いて、大幅に低減された製造コスト及び低減されたポンプの大きさでもって、原油の採掘を低減されたエネルギー消費で実現するために必要である。

しかしながら、この米国特許第４８６５５１９号明細書による当該解決手段は、この油井ポンプの構造を自動車用冷却液ポンプとして同様に使用すると、当該冷却液ポンプで推移される温度範囲及び回転数範囲に起因して、特に冷却液中にキャビテーションの発生を、当該キャビテーションの発生から生じる全ての欠点と共に必ず引き起こす。

さらに、両側で軸支された軸流ポンプ羽根車を有する制御可能なポンプ方式の、実際に確実に制御可能な機械式に駆動される同様な別の内燃機関用冷却液ポンプが、独国特許第１０２００９０１２９２３号明細書に本出願人によって既に記されている。当該冷却液ポンプでは、冷却液の流出口が、軸流ポンプ羽根車の後に配置された制御装置によって完全に閉鎖され得る。

両側で軸支された軸流羽根車を有する当該解決手段は、クリアランスの大幅な低減を可能にし、このため、上述した構造に比べて、特にポンプ効率も改良させる。

上述した全ての構造は、搬送媒体である冷却液が、それぞれの軸流羽根車の直前でほぼアーチ形にガイドホイールを経由して軸流羽根車の駆動領域内に流入され、制御装置を有する又は制御装置を有しない流出口に送られる点で共通する。

当該従来の技術の軸流式の冷却液ポンプで使用された全ての軸流羽根車は、キャビテーションを起こしやすく、その２次元の羽根幾何形状によって、最小のクリアランスのときでも、冷却液ポンプにとって通常の回転数の範囲内で、最大で５０％の効率を得る。この場合、自動車のエンジン室内に設けられている制限された設置スペースが必然的に、非常に限定された圧力上昇しか可能にしない。

さらに、当該従来の技術で上述した軸流式の冷却液ポンプに対しては、一定の回転数のときのポンプ圧力下にある冷却液の体積流量の特性の不安定な推移が特徴である。すなわち、一定の回転数（エンジンの回転数）のときに、電気負荷が、冷却液の循環中に部分的に印加又は遮断されるときに、当該冷却液の体積流量が変化する。

従来の技術の軸流式の冷却液ポンプのこの不安定な特性に起因して、しかしながら、当該特性は、この従来の技術の軸流式の冷却液ポンプの場合に、それぞれのポンプ圧力の、非常に不利に作用する、突然で大抵は深刻な変化を引き起こす。

独国特許出願公開第１００４７３８７号明細書 独国特許第１０２０７６５３号明細書 独国特許第１０３１４５２６号明細書 独国特許第１０２００６０３４９５２号明細書 独国特許出願公開第１０２００８０４８８９３号明細書 米国特許第４８６５５１９号明細書 独国特許第１０２００９０１２９２３号明細書

本発明の課題は、プーリー、ギア、スタブシャフト等によって機械式に駆動される内燃機関用の軸流式の冷却液ポンプを改良することにある。この冷却液ポンプは、上述した従来の技術の欠点を排除し、当該従来の技術以下の小さい設置スペース／設置容積のときでも、すなわち通常のポンプ軸回転数の冷却液ポンプに対して、軸流式の冷却液ポンプでのポンプ圧力の大幅な上昇を可能にする。そして、この冷却液ポンプは同時に、一定の回転数のときのポンプ圧力下にある冷却液体積流量の、従来の技術に比べて大幅に改良された安定な特性を特徴とし、さらにキャビテーションを起こしにくく、搬送体積流量の乱流を阻止し、同時に非常に高い効率を保証し、さらに非常にコンパクトで、製造技術的に且つ組み立て技術的に簡単で、安価で且つ丈夫な構造を特徴とし、冷却液が汚濁負荷に曝されているときでも、高い信頼度及び信頼性を非常に長い寿命で保証する。

本発明によれば、この課題は、本発明の独立請求項の特徴による、軸流式の冷却液ポンプ形式の、プーリー、ギア、スタブシャフト等によって機械式に駆動される内燃機関用冷却液ポンプによって解決される。

本発明の好適な構成、詳細及び特徴は、従属請求項、及び本発明の解決手段を示す図面に関連する当該本発明の解決手段の以下の説明に記載されている。

以下に、本発明を一実施の形態を示した図１に関連するこの実施の形態に基づいて詳しく説明する。

内燃機関用の、プーリー１によって機械駆動される本発明の軸流式の冷却液ポンプの可能な構造の断面を側面図で示す。

ポンプ本体２と、このポンプ本体２の吸入側に配置された流入口３と、このポンプ本体の押し出し側に配置された流出口４と、このポンプ本体２内で又はこのポンプ本体２でポンプ軸受５によって回転可能に軸支され且つプーリー１に固着接合されているポンプ軸６と、流入口３の駆動側隣の、このポンプ本体２内の密閉シール７内の、この密閉シール７とこのポンプ軸６との間に配置されたポンプ軸パッキン８と、このポンプ本体２内に固着配置されたガイドベーン１０付きガイドホイール９とを有する、この本発明の軸流式の冷却液ポンプであって、ベアリングシート１１が、ガイドホイール９内に存在し、滑り軸受１２が、このベアリングシート１１内に配置されていて、ポンプ軸６が、このポンプ軸６の駆動側、例えばプーリー１側に対向しているポンプ軸端部によってこの滑り軸受１２内で軸支されていて、このときに、リングギャップ１３の周りにわたって流入口３の方向に滑り軸受１２付きガイドホイール９に隣接するように、羽根１５付き回転子１４が、ポンプ軸６に固着配置されている当該冷却液ポンプは、本発明によれば、当該回転子１４が、３次元空間的に湾曲された羽根１５付きの混合流羽根車、フランシス形羽根車又は斜流羽根車であることを特徴とする。

混合流羽根車、フランシス形羽根車又は斜流羽根車は、３次元空間的に湾曲された羽根の幾何形状を特徴とする。最適な限界条件の下で且つ最小のギャップの場合、当該混合流羽根車、フランシス形羽根車及び斜流羽根車は、その空間的に湾曲された羽根と放射状の流出とに起因して、冷却液ポンプに対して通常の回転数のときでも、８０％までの効率が達成され得る。

従来の技術において軸流式の冷却水ポンプで使用された軸流羽根車に比べて、混合流羽根車、フランシス形羽根車及び斜流羽根車は、キャビテーションを起こしにくく、制限された設置スペースでも、十分な圧力上昇を可能にする。

これに関連して、ポンプ軸受５内とガイドホイール９の滑り軸受１２内との両側で軸支されたポンプ軸６が、回転子１４とガイドホイール９との間の最小のリングギャップ１３を保証する点が、本発明において重要である。この場合、回転子１４が、ガイドコーン１６の隣接した外縁の前面とガイドキャップ１７の隣接した外縁の前面との双方からリングギャップ１３だけ最小限に離れているように、この回転子１４が、ガイドホイール９から最小の当該リングギャップ１３だけ離れている。その結果、この回転子の複数の後縁に対して平行に延在するこのガイドホイールの複数の前縁が、互いに間隔をあけた２つの密閉ギャップ幾何形状を形成する。これによって、回転子１４から斜めに流出する搬送体積流量を、流体技術的に最適に本発明のガイドホイール９内に直接送ることを保証する。

回転子１４が、ガイドコーン１６の隣接した外縁の前面とガイドギャップ１７の隣接した外縁の前面との双方からそれぞれ１つのリングギャップ１３（「密閉ギャップ」）だけ離れていることによって、回転子１４から外側に斜めに流出する搬送体積流量が、最小のリングギャップ１３で隣接した本発明にしたがって形成されたガイドホイール９内に最適に流入され、当該双方の密閉ギャップ幾何形状によって限定された遷移領域の直後に本発明にしたがってガイドホイール９内で直ぐに「偏向」される。

この場合、本発明のガイドホイール９は、流れ方向に次第に細くなっている内側のガイドコーン１６と、このガイドコーン１６から間隔をあけて配置された外側の円錐形のガイドギャップ１７とを有し、当該ガイドコーン１６が、３次元空間的に湾曲されたガイドベーン１０を介してガイドギャップ１７に結合されていることを特徴とする。

本発明のガイドホイール内に配置され、３次元空間的に湾曲されたガイドベーン１０を備え、本発明にしたがって内側に次第に細くなっているガイドコーン１６とガイドギャップ１７との間の空間は、本発明の固定子１４から最初に外側に向かって斜めに流出する一方で、直ぐに「偏向されて」ガイドホイール９内に流入する搬送体積流量が、その流入時及び本発明のガイドホイール９を通じたその貫流中に最小の設置スペースの水準にある当該本発明のガイドホイール９の内部でほぼ損失なしに、キャビテーションなしに且つ乱流なしに当該ガイドホイール９から軸流方向に流出する搬送体積流量に再び変換されることを引き起こす。この場合、キャビテーションの発生が、高い回転数の範囲内でも且つ高温の冷却媒体のときでも排除され得る。

さらに、本発明の冷却液ポンプは、流体技術的に丈夫なその構造に起因して汚濁負荷に曝される冷却媒体のときでも高い信頼度及び信頼性を非常に長い寿命で保証する。

本発明のキャビテーションを起こしにくいポンプは、全体として最小の構造で高い効率を保証し、非常に制限された設置スペースにもかかわらず大幅な圧力上昇を可能にすると同時に、非常にコンパクトで、製造技術的に且つ組み立て技術的に簡単で、経費のかからない丈夫な構造を特徴とする。

この場合、本発明の冷却液ポンプは、従来の技術で公知の軸流式の冷却液ポンプに比べて、本発明の複数の構成要素の配置及び結合に起因して、特に体積流量の特性が、一定の回転数のときのポンプ圧力によって変動しないで継続することを特徴とする。すなわち、例えば一定の回転数（エンジンの回転数）のときに、電気負荷が、冷却液の循環中に部分的に印加又は遮断されるときに、当該冷却液の体積流量が、強制的に直ぐに変更される。

しかしながら、当該冷却液の体積流量の変更は、従来の軸流羽根車を有する従来の技術の軸流式の冷却水ポンプに比べて、本発明の変動しない特性に起因して、ポンプ圧力の変動をもはや伴わない。

このため、本発明の冷却液ポンプは、従来の技術の軸流式の冷却液ポンプに比べて、同じ設置スペース／設置容積及び同じ回転数のときはポンプ圧力の非常に大幅な上昇を可能にする。

一連の試験では、基準値が、従来の技術の軸流羽根車を備えた軸流式の冷却水ポンプによってほぼ同じ設置スペース／設置容積の場合で算出された。当該基準値は、従来の軸流式の冷却液ポンプによる１２，０００ｒｐｍの回転数（高回転数範囲）の場合に、約１ｂａｒのポンプ圧力が達成され得ることを実証している。これに対して、ここで説明した本発明の軸流式の冷却液ポンプによれば、同じ設置スペースで且つ１２，０００ｒｐｍの同様な回転数の場合に、約１．７ｂａｒの遥かにより高いポンプ圧力が達成された。流入室１９の長さＬが、その内径Ｄの約０．７〜１．５倍であるこの内径Ｄを成す、ポンプ軸６に対して回転対称に配置された当該流入室１９が、ポンプ本体２内の回転子１４の直前に存在する点も特徴である。

図１中に示された構造は、流入室１９の長さＬがその内径Ｄの約０．９倍である当該流入室１９を有する。この本発明の流入室１９は、妨害されない流入を招き、特に吸引体積流量の「均一化」に利用され、これによって本発明の作用のさらなる最適化に大いに寄与する。

ガイドリード１８が、ガイドキャップ１７の流出側の自由端部に配置されていることも、本発明にとって重要である。

本発明によれば、このガイドリード１８は、加圧側の流出領域内の渦流の発生を阻止し、本発明の作用のさらなる最適化に同様に利用される。

しかし、本発明の解決手段は、その全体では、従来の技術の軸流式の冷却ポンプに比べて、完全に閉鎖された／偏向された主流路２１の場合に、ポンプ軸６の駆動出力が大幅により減少されることも達成させる。その結果、本発明の軸流式の冷却液ポンプの効率も、当該ポンプ軸６の駆動出力の大幅な減少によってさらに向上される。

図１中に示されたこの構造では、当該主流路２１を有する冷却液流出フランジ２０が、本発明の軸流式の冷却液ポンプのポンプ本体２に対する流出口４の領域内に配置されている。

この主流路２１は、従来の技術のように、通常は冷却液循環路に合流し、例えばアクチュエータに結合して、シリンダーブロック及びシリンダーヘッドの最適な冷却を可能にし、例えば排気ガス再循環装置及び排気マニホールドのような特殊な構成要素の冷却も可能にするが、乗客室のヒーターの熱供給も可能にし、その他の同様な冷却及び熱供給を可能にする。

１ プーリー
２ ポンプ本体
３ 流入口
４ 流出口
５ ポンプ軸受
６ ポンプ軸
７ 密閉シール
８ ポンプ軸パッキン
９ ガイドホイール
１０ ガイドベーン
１１ ベアリングシート
１２ 滑り軸受
１３ リングギャップ
１４ 回転子
１５ 羽根
１６ ガイドコーン
１７ ガイドキャップ
１８ ガイドリード
１９ 流入室
２０ 冷却液流出フランジ
２１ 主流路
Ｄ 内径
Ｌ 長さ

Claims (4)

1. 流入口（３）及び流出口（４）を有するポンプ本体（２）と、このポンプ本体（２）内で又はこのポンプ本体（２）でポンプ軸受（５）によって回転可能に軸支され且つプーリー（１）に固着接合されているポンプ軸（６）と、前記流入口（３）の駆動側隣の、前記ポンプ本体（２）内の密閉シール（７）内の、この密閉シール（７）と前記ポンプ軸（６）との間に配置されたポンプ軸パッキン（８）と、前記ポンプ本体（２）内に固着配置されたガイドベーン（１０）付きガイドホイール（９）とを有する、プーリー、ギア、スタブシャフト等によって機械式に駆動される内燃機関用冷却液ポンプ方式の冷却液ポンプであって、ベアリングシート（１１）が、前記ガイドホイール（９）内に存在し、滑り軸受（１２）が、このベアリングシート（１１）内に配置されていて、前記ポンプ軸（６）が、このポンプ軸（６）の駆動側、例えば前記プーリー（１）側に対向しているポンプ軸端部によって前記滑り軸受（１２）内で軸支されていて、このときに、リングギャップ（１３）の周りにわたって前記流入口（３）の方向に前記滑り軸受（１２）付き前記ガイドホイール（９）に隣接するように、羽根（１５）付き回転子（１４）が、前記ポンプ軸（６）に固着配置されている当該冷却液ポンプにおいて、
   前記回転子（１４）が、３次元空間的に湾曲された羽根（１５）付きの混合流羽根車、フランシス形羽根車又は斜流羽根車であること、
   前記ポンプ本体（２）内に固着配置された前記ガイドホイール（９）が、流れ方向に次第に細くなっている内側のガイドコーン（１６）と、このガイドコーン（１６）から間隔をあけて配置された外側の円錐形のガイドギャップ（１７）とを有すること、
   前記ガイドコーン（１６）が、３次元空間的に湾曲されたガイドベーン（１０）を介して前記ガイドギャップ（１７）に結合されていること、及び
   前記回転子（１４）が、前記ガイドホイール（９）から最小のリングギャップ（１３）だけ離れていて、このときに、この回転子（１４）が、前記ガイドコーン（１６）の隣接した外縁の前面と前記ガイドキャップ（１７）の隣接した外縁の前面との双方から前記リングギャップ（１３）だけ最小限に離れていることを特徴とする冷却液ポンプ。
2. 流入室（１９）の長さ（Ｌ）が、その内径（Ｄ）の約０．７〜１．５倍であるこの内径（Ｄ）を成す、前記ポンプ軸（６）に対して回転対称に配置された前記流入室（１９）は、前記ポンプ本体（２）内の前記回転子（１４）の直前に存在することを特徴とする請求項１に記載の冷却液ポンプ。
3. ガイドリード（１８）が、前記ガイドキャップ（１７）の自由端部に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の冷却液ポンプ。
4. 冷却液流出フランジ（２０）が、前記ポンプ本体（２）に対する前記流出口（４）の領域内に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の冷却液ポンプ。

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