Radialpumpe

Abstract

 Die Erfindung betrifft eine Radialpumpe (1), insbesondere Kühlmittelpumpe für eine Brennkraftmaschine, mit einem Laufradschaufeln (5) aufweisenden Laufrad (2) und einer Leiteinrichtung (4) mit zumindest einem temperatur- und/oder drehzahlsensitiven Element zur temperaturabhängigen Steuerung des Förderstromes, wobei zumindest eine Laufradschaufel (5) und/oder die Leiteinrichtung (4) als drehzahlsensitives Element ausgebildet ist. Um den Wirkungsgrad zu erhöhen ist vorgesehen, dass die Laufradschaufeln (5) durch Corioliskräfte der Kühlmittelströmung elastisch verformbar sind, wobei vorzugsweise zwischen Laufradschaufeln (5) und Laufradtangentialebenen (ε) definierte Austrittswinkel (α) mit zunehmender Drehzahl abnehmen.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Radialpumpe, insbesondere Kühlmittelpumpe für eine Brennkraftmaschine, mit einem Laufradschaufeln aufweisenden Laufrad und einer Leiteinrichtung mit zumindest einem temperatur- und/oder drehzahlsensitiven Element zur temperaturabhängigen Steuerung des Förderstromes, wobei zumindest eine Laufradschaufel und/oder die Leiteinrichtung als drehzahlsensitives Element ausgebildet ist.

[0002] Bei Kühlmittelpumpen größerer PKW-Brennkraftmaschinen besteht oft die Anforderung, bereits bei niedrigen Drehzahlen eine erhebliche Fördermenge zu liefern. Damit verbunden ist aber eine sehr große Fördermenge bei Höchstdrehzahl, die wiederum zu unzulässig hohen Drücken im Kühlmittelkreislauf führt. Kurzschlusskreisläufe zur Verringerung der durch den Motorkreislauf strömenden Menge müssen mit großen Querschnitten ausgeführt werden und sind in jedem Fall mit Verlustleistung verbunden.

[0003] Die DE 37 09 231 A1 beschreibt ein Laufrad, welches aus einem elastisch streckfähigen, elastischen Material derart hergestellt ist, dass bei zunehmender Zentrifugalkraft, die bei zunehmender Drehung des Laufrades auf die Laufradschaufeln wirkt, der Durchmesser des Laufrades zunimmt. Dies ermöglicht eine Zunahme der Ausgangsleistung.

[0004] Die DE 44 24 996 A1 offenbart eine Kreiselpumpe mit elastisch ausgebildeten Laufradschaufeln. Bei einem Anlauf des Synchronmotors entgegen der vorgegeben Drehrichtung werden die Laufradschaufeln um zumindest 2% in radialer Länge aufgespreizt, wodurch der Wasserwiderstand sich wesentlich erhöht und der Motor abgebremst wird. Mit der Tendenz des Einphasen-Synchronmotors zum Anlauf-Pendeln und der vom Laufrad bestimmten Vorzugsrichtung wird der Motor gezwungen, in der richtigen Drehrichtung anzulaufen.

[0005] Die DE 30 22 241 A1 beschreibt eine Kühlwasserpumpe nach Art einer Radialpumpe mit einer Regeleinrichtung, welche ein mit Schaufeln versehenes Pumpenrad aufweist, wobei die Schaufeln einsinnig gekrümmt sind. Die Schaufeln bestehen dabei aus Bimetallen, deren den größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzendes Teil auf der dem Krümmungsmittelpunkt zugekehrten Seite der jeweiligen Schaufel angeordnet ist. Unter der Wirkung der Temperatur des Kühlwassers und/oder der Drehzahl des Pumpenrades verändert sich die Krümmung der Schaufeln in der Weise, dass bei steigender Drehzahl und/oder steigender Temperatur der kleinste Abstand zwischen einander benachbarten Schaufeln zunimmt und dem gemäß die durch die Krümmung der Schaufeln bewirkte Drosselung des Kühlmittels abnimmt. Bei höheren Drehzahlen kann somit eine höhere Förderleistung erreicht werden.

[0006] Die DE 196 54 092 C2 zeigt eine Kreiselpumpe, deren Laufradschaufeln einer temperaturabhängigen Formveränderung unterliegen. Die JP 59-70898 A offenbart ein Laufrad mit thermisch veränderbaren Laufradschaufeln.

[0007] Die DE 42 00 507 A1 beschreibt eine variable Strömungsmaschine, deren Laufrad dem Volumenstrom abgepasst wird, in dem die Laufradbreite über einen Laufradaufsatz verändert wird, welcher aus einer Scheibe mit Schlitzen in Schaufelform besteht, durch die die Schaufeln hindurchragen. Auch das Spiralgehäuse kann entweder über die Spiralweite durch eine veränderliche Plattfederspirale oder über die Spiralbreite durch einen der Spiralform angepassten Spiralkolben verändert werden.

[0008] Auch die JP 60-159399 A offenbart eine Kreiselpumpe mit verstellbaren Leitschaufeln.

[0009] Aufgabe der Erfindung ist es, die genannten Nachteile zu vermeiden und bei einer Radialpumpe den Wirkungsgrad zu erhöhen.

[0010] Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass die Laufradschaufeln durch Corioliskräfte der Kühlmittelströmung elastisch verformbar sind, wobei vorzugsweise zwischen Laufradschaufeln und Laufradtangentialebenen definierte Austrittswinkel mit zunehmender Drehzahl abnehmen.

[0011] Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Laufradschaufeln flexibel ausgebildet sind und aus einem elastischen Werkstoff, vorzugsweise aus Stahlblech bestehen. Bei niedrigen Drehzahlen sind die Drücke auf die Laufradschaufeln gering, die Fördermenge unverändert gegenüber fixen Laufradschaufeln. Bei hohen Drehzahlen dagegen bewirken die Corioliskräfte der Kühlmittelströmung eine Verformung der Flügel in Richtung flacherer Austrittswinkel und damit eine abgesenkte Fördermenge. Dies ergibt sich dadurch, dass durch Verformen der Laufradschaufeln in Folge der Corioliskräfte die zwischen Laufradschaufeln und Laufradtangentialebenen definierten Austrittswinkel mit zunehmender Drehzahl abnehmen. Im Vergleich zu starren Laufradschaufeln sind die flexiblen Laufradschaufeln flacher und dünner gestaltet. Der Wirkungsgrad wird gegenüber starren Laufradschaufeln deutlich gesteigert, Drosselverluste entfallen.

[0012] In einer bevorzugten Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass die Laufradschaufeln zumindest teilweise aus Bimetall bestehen. Die Laufradschaufeln sind somit durch Temperaturänderungen des Kühlmittels verformbar, wobei vorzugsweise zwischen Laufradschaufeln und Laufradtangentialebenen definierte Austrittswinkel mit steigender Temperatur zunehmen. Dies ermöglicht es durch die Temperatur des Kühlmittels die Fördermenge zu regeln. Je nach geforderter Förderkennlinie kann die Fördermenge bei höheren Temperaturen nach oben oder unten von der Kennlinie bei starren Laufradschaufeln abweichen.

[0013] Die maximale Verformung der Laufradschaufeln ist vorzugsweise zumindest in Richtung kleiner werdenden Austrittswinkeln durch Stützschaufeln begrenzt, wobei vorzugsweise jede Laufradschaufel mit je einer Stützschaufel verbunden ist. Zusätzlich oder an Stelle der Stützschaufeln kann auch vorgesehen sein, dass die Laufradschaufeln durch einen Synchronisierungsring miteinander verbunden sind. Der Synchronisierungsring bewirkt, dass die Laufradschaufeln stets parallel zueinander ausgerichtet sind und dass die Durchbiegung bzw. Verstellung von einzelnen Laufradschaufeln verhindert wird. Der Synchronisierungsring verhindert außerdem eine zu starke Schwingungsanregung von einzelnen Laufradschaufeln. Wird der Synchronisierungsring zusätzlich zu Stützschaufeln eingesetzt, so ist es vorteilhaft, wenn der Synchronisierungsring - in radialer Richtung gesehen - außerhalb der Stützschaufeln angeordnet ist.

[0014] In einer besonders bevorzugten Ausführung der Erfindung ist weiters vorgesehen, dass jede Laufradschaufel um jeweils eine Achse schwenkbar am Laufrad gelagert ist, wobei vorzugsweise die Achsen auf einem Achsenkreis um die Laufradachse angeordnet sind und dass die Laufradschaufeln durch zumindest ein Federelement in Richtung einer einen maximalen Austrittswinkel definierenden Grundstellung belastet sind. Die Laufradschaufeln können dabei aus einem unelastischen bzw. starren Werkstoff bestehen. Um möglichst rasch eine stabile Betriebsposition der Laufradschaufeln zu erreichen, ist es vorteilhaft, wenn die Laufradschaufeln zumindest über ein Dämpfungselement gegenüber dem Laufrad abgestützt sind. Dabei kann auf jede Laufradschaufel innerhalb des Achsenkreises jeweils ein Federelement und/oder ein Dämpfungselement einwirken. Es ist aber auch möglich, dass das Federelement und/oder das Dämpfungselement auf den mit den Laufradschaufeln verbundenen Synchronisierungsring einwirkt.

[0015] Die Laufradschaufeln können zumindest teilweise aus Stahlblech oder Kunststoff bestehen.

[0016] In weiterer Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass die vorzugsweise durch eine Austrittsspirale gebildete Leiteinrichtung zumindest einen Bimetallteil aufweist, wobei es besonders vorteilhaft ist, wenn der Bimetallteil als Leitradschaufel ausgebildet ist. Die aus Bimetall ausgeführte Leitschaufel ist durch Temperaturänderungen zwischen einer ersten Stellung für minimalen Spiralquerschnitt und einer zweiten Stellung für maximalen Spiralquerschnitt verformbar, wobei der durch die Leitschaufel geregelte Spiralquerschnitt vorzugsweise mit steigender Temperatur zunimmt.

[0017] Um eine externe Steuerung des geförderten Volumenstromes der Radialpumpe zu ermöglichen, ist es besonders vorteilhaft, wenn das temperatursensitive Element durch eine Heizeinrichtung erwärmbar ist.

[0018] Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1

ein Laufrad einer erfindungsgemäßen Radialpumpe in einer ersten Ausführungsvariante in einer Schrägansicht,

Fig. 2

das Laufrad in einer Draufsicht,

Fig. 3

das Laufrad in einem Schnitt gemäß der Linie III-III in Fig. 2,

Fig. 4

das Laufrad mit in einer ersten Stellung befindlichen Laufradschaufeln,

Fig. 5

das Laufrad mit in einer zweiten Stellung befindlichen Laufradschaufeln,

Fig. 6

die Radialpumpe mit Leiteinrichtung,

Fig. 7

ein Laufrad einer erfindungsgemäßen Radialpumpe in einer zweiten Ausführungsvariante in einer Draufsicht,

Fig. 8

dieses Laufrad in einer Schrägansicht,

Fig. 9

ein Laufrad einer erfindungsgemäßen Radialpumpe in einer dritten Ausführungsvariante und

Fig. 10

ein Kennfeld der Radialpumpe.

[0019] Funktionsgleiche Teile sind in den Fig. mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

[0020] Die Radialpumpe 1 weist jeweils ein Laufrad 2 und eine durch ein Spiralgehäuse 3 gebildete Leiteinrichtung 4 auf. Die Laufradschaufeln 5 der in den Fig. 1 bis 8 dargestellten Laufräder 2 sind flexibel ausgebildet und bestehen beispielsweise aus Stahlblechflügel, welche über Nuten 6 mit starren Stützschaufeln 7 verbunden sind, wie insbesondere aus Fig. 2 hervorgeht. Bei niedrigen Drehzahlen sind die Drücke auf die Laufradschaufeln 5 gering, die Fördermenge ist unverändert gegenüber einem starren Laufrad. Wie aus Fig. 4 hervorgeht, nehmen die Laufradschaufeln 5 ihren maximalen Umlaufdurchmesser ein, wobei sich der Austrittswinkel α₁ einstellt, welcher zwischen Laufradschaufeln 5 und einer Tangentialebene ε gemessen wird. Bei hohen Drehzahlen bewirken die Corioliskräfte der Kühlmittelströmung eine Verformung der Laufradschaufeln 5 in Richtung kleineren Austrittswinkel α_2,, wie Fig. 5 zeigt. Dies bewirkt eine Absenkung der Fördermenge Q. Die Zentrifugalkräfte wirken zwar der Verringerung der Austrittswinkel α entgegen, bei geeigneter Stärke der Laufradschaufeln 5 stellt sich aber der gewünschte Effekt ein. Der Wirkungsgrad wird durch die flacheren und dünneren Laufradschaufeln 5 im Vergleich zu einem starren Laufrad erhöht. Dadurch, dass keine Drosselung bei höheren Drehzahlen erforderlich ist, entfallen die Drosselverluste.

[0021] Zusätzlich können die Laufradschaufeln 5 aus Bimetallflügeln bestehen, wodurch diese nicht nur als drehzahlsensitives sondern auch als temperatursensitives Element wirken. Durch das Bimetall werden die Laufradschaufeln 5 in Abhängigkeit der Temperatur des Kühlmittels verformt. Im kalten Zustand ergibt sich eine Stellung der Laufradschaufeln 5 analog zu Fig. 5, der Durchfluss ist relativ gering. Im heißen Zustand dagegen stellt sich eine Stellung der Laufradschaufeln 5 analog zu Fig. 4 mit relativ großem Austrittswinkel α₁ ein, der Durchfluss ist relativ hoch. Durch Überlagerung der Einflüsse zu Folge der Temperatureinwirkung und der Drehzahleinwirkung können sich beliebige Zwischenstellungen der Laufradschaufeln 5 einstellen.

[0022] Zusätzlich kann auch im Bereich der Austrittsspirale 3 der Leiteinrichtung 4 ein durch eine Leitschaufel 8 gebildeter Bimetallteil 9 vorgesehen sein. Die Leitschaufel 8 ist durch Temperaturänderungen zwischen einer ersten Stellung A für minimalen Spiralquerschnitt und einer zweiten Stellung B für maximalen Spiralquerschnitt verformbar, wobei der durch die Leitschaufel 8 geregelte Spiralquerschnitt mit steigender Temperatur zunimmt. In Fig. 6 ist die Leitschaufel 8 in der ersten Stellung A mit strickpunktierten Linien und in der zweiten Stellung B in voll ausgezogenen Linie dargestellt.

[0023] Das durch die Laufradschaufeln 5 und/oder durch die Leitschaufel 8 gebildete temperatursensitive Element kann auch beispielsweise elektrisch beheizbar sein, um eine externe Regelung zu ermöglichen. Somit kann die Verformung auch durch Ansteuerung von außerhalb der Radialpumpe erreicht werden.

[0024] Bei der in den Fig. 7 und 8 dargestellten Ausführungsvariante weist das Laufrad 2 einen Synchronisierungsring 10 auf, welcher statt oder zusätzlich zu Stützschaufeln 7 eine Abstützung der Laufradschaufeln 5 bewirkt. Im Ausführungsbeispiel ist der Synchronisierungsring 10 radial außerhalb der Stützschaufeln 7 angeordnet. Der Synchronisierungsring 10 schaltet die Laufradschaufeln 5 sozusagen parallel und gewährleistet, dass alle Laufradschaufeln 5 den gleichen Austrittswinkel α aufweisen. Der Synchronisierungsring 10 verhindert somit eine Verstellung oder Durchbiegung von einzelnen Laufradschaufeln 5. Der Synchronisierungsring verhindert weiters eine zu starke Schwingungsanregung von einzelnen Laufradschaufeln 5.

[0025] Fig. 9 zeigt eine weitere Ausführungsvariante, bei der die an sich starren Laufradschaufeln 5 drehbar um die Achsen 11 am Laufrad 2 gelagert sind. Die Achsen 11 sind auf einem Achsenkreis 12 um die Laufradachse 2a angeordnet. Mittels geeigneter Feder- und Dämpfungselemente 13, 14 aus elastischem Material werden die Laufradschaufeln 5 im Stillstand und bei niedrigen Drehzahlen in ihrer äußersten Endlage gehalten und können sich bei Belastung entsprechend verstellen. Der Synchronisierungsring 10 ist in dem in Fig. 9 dargestellten Beispiel innerhalb des Achsenkreises 12 angeordnet.

[0026] Fig. 10 zeigt ein Pumpenkennfeld für die Radialpumpe 1, wobei die Druckdifferenz Δp und die Leistung P über dem Förderstrom Q aufgetragen sind. Mit I ist eine Kennlinie einer herkömmlichen Radialpumpe mit starren Laufradschaufeln bezeichnet. Die strichlierte Linie II zeigt dagegen eine Kennlinie der beschriebenen Radialpumpe 1 mit flexiblen Laufradschaufeln 5.

Ansprüche

1. Radialpumpe (1), insbesondere Kühlmittelpumpe für eine Brennkraftmaschine, mit einem Laufradschaufeln (5) aufweisenden Laufrad (2) und einer Leiteinrichtung (4) mit zumindest einem temperatur- und/oder drehzahlsensitiven Element zur temperaturabhängigen Steuerung des Förderstromes, wobei zumindest eine Laufradschaufel (5) und/oder die Leiteinrichtung (4) als drehzahlsensitives Element ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufradschaufeln (5) durch Corioliskräfte der Kühlmittelströmung elastisch verformbar sind, wobei vorzugsweise zwischen Laufradschaufeln (5) und Laufradtangentialebenen (ε) definierte Austrittswinkel (α) mit zunehmender Drehzahl abnehmen.

2. Radialpumpe (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufradschaufeln (5) flexibel ausgebildet sind und aus einem elastischen Werkstoff bestehen.

3. Radialpumpe (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufradschaufeln (5) auch als temperatursensitives Element ausgebildet sind und zumindest teilweise aus Bimetall bestehen.

4. Radialpumpe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufradschaufeln (5) durch Temperaturänderungen des Kühlmittels verformbar sind, wobei vorzugsweise zwischen Laufradschaufeln (5) und Laufradtangentialebenen (ε) definierte Austrittswinkel (α) mit steigender Temperatur zunehmen.

5. Radialpumpe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Verformung der Laufradschaufeln (5) zumindest in Richtung kleiner werdenden Austrittswinkel (α) durch Stützschaufeln (7) begrenzt ist, wobei vorzugsweise jede Laufradschaufel (5) mit je einer Stützschaufel (7) verbunden ist.

6. Radialpumpe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufradschaufeln (5) durch einen Synchronisierungsring (10) miteinander verbunden sind.

7. Radialpumpe (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Synchronisierungsring (10) - in radialer Richtung gesehen - außerhalb der Stützschaufeln (7) angeordnet ist.

8. Radialpumpe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass jede Laufradschaufel (5) um jeweils eine Achse (11) schwenkbar am Laufrad (2) gelagert ist, wobei vorzugsweise die Achsen (11) auf einem Achsenkreis (12) um die Laufradachse (2a) angeordnet sind.

9. Radialpumpe (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufradschaufeln (5) durch zumindest ein Federelement (13) in Richtung einer einen maximalen Austrittswinkel (α) Grundstellung belastet sind.

10. Radialpumpe (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass auf jede Laufradschaufel (5) innerhalb des Achsenkreises (12) jeweils ein Federelement (13) einwirkt.

11. Radialpumpe (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufradschaufeln (5) zumindest über ein Dämpfungselement (14) gegenüber dem Laufrad (2) abgestützt sind.

12. Radialpumpe (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass auf jede Laufradschaufel (5) ein Dämpfungselement (14) innerhalb des Achsenkreises (12) einwirkt.

13. Radialpumpe (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Synchronisierungsring (10) innerhalb des Achsenkreises (12) angeordnet ist.

14. Radialpumpe (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufradschaufeln (5) starr ausgebildet sind.

15. Radialpumpe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufradschaufeln (5) zumindest teilweise aus Stahlblech oder aus Kunststoff bestehen.

16. Radialpumpe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die vorzugsweise durch eine Austrittsspirale (3) gebildete Leiteinrichtung (4) zumindest einen Bimetallteil aufweist.

17. Radialpumpe (1) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Bimetallteil als Leitschaufel (8) ausgebildet ist.

18. Radialpumpe (1) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufel (8) durch Temperaturänderungen zwischen einer ersten Stellung (A) für minimalen Spiralquerschnitt und einer zweiten Stellung (B) für maximalen Spiralquerschnitt verformbar ist, wobei vorzugsweise der durch die Leitschaufel (8) geregelte Spiralquerschnitt mit steigender Temperatur zunimmt.

19. Radialpumpe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das temperatursensitive Element durch eine Heizeinrichtung erwärmbar ist.

Zeichnung