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Dokumentenidentifikation DE102005054060A1 16.05.2007
Titel Fluidpumpe
Anmelder Pierburg GmbH, 41460 Neuss, DE
Erfinder Genster, Albert, 45768 Marl, DE
DE-Anmeldedatum 10.11.2005
DE-Aktenzeichen 102005054060
Offenlegungstag 16.05.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 16.05.2007
IPC-Hauptklasse F04D 13/06(2006.01)A, F, I, 20051110, B, H, DE
IPC-Nebenklasse F04D 29/40(2006.01)A, L, I, 20051110, B, H, DE   F01P 5/12(2006.01)A, L, I, 20051110, B, H, DE   
Zusammenfassung Es wird eine elektrische Fluidpumpe in Halbaxialbauweise vorgeschlagen, deren Pumpengehäuse (32, 33, 34) zumindest zwei identische Pumpengehäuseteile (33, 34) aufweist. Dies reduziert die Anzahl unterschiedlicher Bauteile und somit die Kosten bei einem hohen zu verwirklichenden Wirkungsgrad.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Fluidpumpe für Verbrennungskraftmaschinen mit einem Elektromotor, der einen in einem Motorgehäuse angeordneten Rotor und einen Stator aufweist, wobei der Rotor zumindest drehfest auf einer Antriebswelle angeordnet ist, einem Laufrad, welches auf der Antriebswelle befestigt ist, zumindest einem Leitrad, welches in Strömungsrichtung des zu fördernden Fluides hinter dem Laufrad angeordnet ist, und einem Pumpengehäuse, welches das Motorgehäuse, das Laufrad und das Leitrad umgibt und an dem an den axialen Enden gegenüberliegend ein Druckstutzen und ein Saugstutzen ausgebildet sind.

Fluidpumpen für Verbrennungskraftmaschinen werden insbesondere als Kühlmittelpumpen im Kühlkreislauf eingesetzt. Während in der Vergangenheit eine direkte Kopplung zur Motordrehzahl vorhanden war und die Pumpen über Riemen- oder Kettentriebe angetrieben wurde werden in neueren Motoren drehzahlregelbare elektrische Kühlmittelpumpen mit Spaltrohr verstärkt eingesetzt, um ein modernes Wärmemanagement zu verwirklichen. Ein Überfluss in der Förderleistung kann somit verhindert werden, so dass beispielsweise eine schnellere Aufheizung der Verbrennungskraftmaschine nach dem Kaltstart möglich ist. Die Fördermenge kann entsprechend der tatsächlich benötigten Kühlleistung geregelt werden.

Eine derartige Pumpe ist beispielsweise aus der MTZ Nr.11 Jg.2005 (S. 872–877) bekannt. Diese elektrische Kühlmittelpumpe umfasst einen EC-Motor als Antriebsaggregat und weist einen Pumpenkopf mit axialem Eintritt und tangentialem Austritt auf. Die hier verwendeten Bauteile und insbesondere Gehäuseteile sind jedoch für die Leistungsaufnahme der Pumpe relativ groß, da ein relativ großer Antriebsmotor verwendet werden muss.

In der US 2002/0106290 A1 wird daher eine elektrische Fluidpumpe in Halbaxialbauweise offenbart, mit der bei gleicher Leistungsaufnahme des Elektromotors, dieser zur Erreichung größerer Drehzahlen kleiner ausgeführt werden kann, so dass bei kleinerer Bauweise gleiche Fördermengen erreichbar sind. Er weist einen vollständig gekapselten Elektromotor auf, an dessen Außenseite ein Leitrad ausgebildet ist. In Strömungsrichtung hinter dem Leitrad entstehen jedoch Hindernisse zur Durchführung der elektrischen Kontaktierung zur Elektronikeinheit.

An der Laufradseite ist der gesamte Motor über Dichtungen gegenüber der Umgebung abgedichtet. Inwieweit eine derartige Abdichtung an den sich drehenden Teilen ausreicht ist zumindest fraglich.

Das Pumpengehäuse ist zweiteilig ausgeführt und weist verschiedene Abstufungen und Durchgangslöcher für die elektrische Kontaktierung auf. Je nach gewünschter Höchstfördermenge sind verschiedene Elektromotoren und Gehäuse zu entwerfen. Eine vollständige Drallfreiheit wird wahrscheinlich aufgrund der relativ kurzen Leitschaufeln nicht erzielt. Auch ist der Druckverlust durch die Durchführungen der elektrischen Kontaktierung relativ hoch, so dass der Gewinn bezüglich der Leistungsaufnahme des Elektromotors durch die auftretenden Druckverluste zum Teil konterkariert wird.

Durch die Anordnung der Gehäuseteile zueinander sind diese mit einer hohen Fertigungsgenauigkeit herzustellen, für veränderte Förderleistungen neu auszulegen und aufwendig zu montieren. Vorkehrungen zur Verhinderung von Fehlern bei der Montage werden nicht getroffen.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung insbesondere das Pumpengehäuse so auszuführen, dass Fertigungsungenauigkeiten ausgeglichen werden können, eine verringerte Anzahl unterschiedlicher Bauteile entsteht und Montagefehler minimiert werden.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Fluidpumpe als Halbaxialpumpe ausgebildet ist, deren Pumpengehäuse zumindest zwei identische Pumpengehäuseteile aufweist. Dies reduziert die Anzahl unterschiedlicher Bauteile und somit die Kosten bei einem hohen zu verwirklichenden Wirkungsgrad.

In einer ergänzenden Ausführungsform sind ein saugseitiges Pumpengehäuseteil und ein druckseitiges Pumpengehäuseteil identisch ausgebildet, wodurch der Anschluss zu einem saugseitigen und einem druckseitigen Pumpengehäuseteil einfach herstellbar ist und geringe Verluste auftreten. In diesen Teilen können somit Saug- und Druckstutzen integriert werden. Des weiteren handelt es sich um die größten und somit kostenintensivsten Bauteile in der Fertigung. Insbesondere Werkzeugkosten werden eingespart. Montagefehler durch Verwechseln der Einbaurichtung werden ausgeschlossen.

Vorzugsweise weisen die identischen Pumpengehäuseteile einen ersten zylindrischen Abschnitt auf, der als Saug- bzw. Druckstutzen dient, und an den sich ein erweiternder Abschnitt anschließt, der in einen zylindrischen Abschnitt größeren Durchmessers endet. Dies erleichtert den Anschluss an die axial anschließenden Gehäuseteil und sorgt für einen stetigen verlustarmen Übergang bei der Umlenkung der Strömung. Der Einbau in ein Kühlsystem ist aufgrund der axialen Lage des Saugstutzens zum Druckstutzen im Kühlsystem einfach zu verwirklichen. Der Bauraum bei einer bestimmten zu verwendenden Motorgröße ist minimiert.

Vorteilhaft ist es im saugseitigen Pumpengehäuseteil im Übergangsbereich zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt das Laufrad der Fluidpumpe anzuordnen. Es besteht somit kein langer Einlaufkanal und durch die halbaxiale Beschaufelung ein guter Wirkungsgrad. Ein zusätzlicher Raum für das Laufrad ist nicht erforderlich. Somit wird nur ein geringer Bauraum benötigt. Hohe Fertigungsgenauigkeiten sind nicht erforderlich.

In einer besonderen Ausführungsform ist das Leitrad in einem zylindrischen Pumpengehäuseteil angeordnet, welches axial zwischen den beiden identischen Pumpengehäuseteilen angeordnet ist. Dies vereinfacht die Form und somit die Herstellung der identischen Pumpengehäuseteile, da kein direktes Anliegen der Innenflächen an den notwendigen Leitschaufeln erforderlich ist. Die Fertigungsgenauigkeit kann somit verringert werden.

Entsprechend wird eine Fluidpumpe geschaffen, welche eine geringe Anzahl unterschiedlicher Bauteile aufweist, leicht und mit geringer Fehlerwahrscheinlichkeit zu montieren ist, und insbesondere bei geringeren Stückzahlen aufgrund der Baugleichheit der Pumpengehäuseteile Werkzeug- und Fertigungskosten reduziert.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.

Die Figur zeigt eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Fluidpumpe in geschnittener Darstellung.

Die in der Figur dargestellte Fluidpumpe, welche sich insbesondere als Kühlmittelpumpe in Verbrennungskraftmaschinen eignet, wird von einem elektronisch kommutierten Elektromotor 1 angetrieben, der aus einem Stator 2 sowie einem auf einer Antriebswelle 3 angeordneten Rotor 4 besteht. Am axialen Ende der Antriebswelle 3 ist ein Laufrad 5 angeordnet, welches in halbaxialer Bauweise ausgeführt ist und durch dessen Drehung das zu fördernde Fluid, insbesondere ein Kühlmittel von einem Saugstutzen 6 im Wesentlichen axial durch die Fluidpumpe zu einem Druckstutzen 7 gefördert wird.

Der Elektromotor 1 ist in einem Motorgehäuse angeordnet, welches aus einem ersten saugseitigen Motorgehäuseteil 8 und einem zweiten druckseitigen Motorgehäuseteil 9 besteht. Durch das saugseitige Motorgehäuseteil 8 ist die Antriebswelle 3 geführt, auf der das Laufrad 5 angeordnet ist. Hierzu weist das saugseitige Motorgehäuseteil 8 eine Bohrung 10 auf, in der ein erstes Lager 11 zur Lagerung der Antriebswelle 3 angeordnet ist. Von der Saugseite aus betrachtet hinter dem ersten Lager 11 befindet sich ein keramisches Axialgleitlager 12 sowie eine Gummimanschette 13 und ein Distanzstück 14. Durch diesen Zusammenbau wird eine ausreichend schwingungsgedämpfte Lagerung der Laufradseite der Antriebswelle 3 des Elektromotors 1 erreicht. Das Distanzstück dient zur Verlängerung des Abstandes des ersten Lagers 11 zu einem zweiten Lager 15, wodurch ein Winkelfehler bei der Fertigung der Bohrung 10 zur Aufnahme der Lager besser ausgeglichen werden kann.

Wiederum hinter dem Distanzstück 14 ist auf der Welle ein Rotorblechpaket 16 angeordnet, welches in axialer Richtung verlaufende Schlitze zur Aufnahme von Magneten 17 aufweist, welche in bekannter Weise mit einer Statorwicklung 18 korrespondieren. Der Rotor 4 wird axial und radial durch eine Kapsel 19 begrenzt. Die Statorwicklung 18 ist auf einem Isolierkörper 20 gewickelt und begrenzt axial in bekannter Weise ein Statorblechpaket 21. Dieses Statorblechpaket 21 ist zum Schließen des magnetischen Kreises formschlüssig mit einem Rückschlussblech 22 verbunden. Dieses Rückschlussblech 22 liegt gegen einen Anschlag 23 an, der an einer Innenfläche des ersten saugseitigen Motorgehäuseteils 8 ausgebildet ist.

Der Rotor 4 ist vom Stator 2 durch ein Spaltrohr 24 getrennt, welches an der Saugseite der Pumpe in einer korrespondierenden Aufnahmeöffnung 25 des saugseitigen Motorgehäuseteils 8 anliegt und dessen entgegengesetztes axiales Ende wiederum in einer entsprechenden Aufnahmeöffnung 26 des druckseitigen Motorgehäuseteils 9 angeordnet ist. Der Stator 2 mit seiner empfindlichen Wicklung 18 liegt somit in einem durch die beiden Motorgehäuseteile 8 und 9 sowie das Spaltrohr 24 abgetrennten trockenen Raum.

Am druckseitigen Ende des Spaltrohres 24 ist ein Verschlussteil 27 angeordnet, in dem das zweite Lager 15 zur Lagerung der Antriebswelle 3 angeordnet ist. Axial wird dieses Verschlussteil 27 durch das druckseitige Motorgehäuseteil 9 gesichert, welches unter Zwischenlage einer Dichtung 28 in einer Aufnahmeöffnung 29 des saugseitigen Motorgehäuseteils 8 angeordnet ist.

Die Kontaktierung der Statorwicklung 18 erfolgt über eine Bohrung 30, in radialer Richtung durch das druckseitige Motorgehäuseteil 9. Um Strömungsverluste durch derartige zusätzliche Einbauten zu verhindern, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist, wird diese Bohrung durch Stützrippen 31 geführt, welche zur ausreichenden Festigkeit und Befestigung eines Pumpengehäuses notwendig sind. Hierzu weisen die Stützrippen 31 eine ausreichende Breite auf und sind in einer Art Tragflächenform ausgeführt, so dass keine Querschnittsverengung entsteht. Durch die Bohrung 30 kann nun also ein nicht dargestelltes elektrisches Kontaktelement durch die Bohrung 30 zu einer ebenfalls nicht dargestellten Elektronikeinheit zur Ansteuerung des Motors 1 geführt werden.

In der dargestellten Ausführung sind die Stützrippen 31 derart geformt, dass sie gleichzeitig als Leitrad dienen, so dass kein zusätzliches Leitrad unmittelbar hinter dem Laufrad 5 notwendig ist. Dies ermöglicht eine einfache einteilige Herstellung des saugseitigen Motorgehäuses 8 mit den Stützrippen und einem zylindrischen radial außen liegenden Pumpengehäuseteil 32. Dieses Pumpengehäuseteil 32 umgibt das radial innen liegende Motorgehäuseteil 8 sowie den gesamten Elektromotor 1.

An der stromabwärtigen und der stromaufwärtigen Seite des Gehäuseteils 8, 31, 32 sind jeweils unter Zwischenlage einer Dichtung 50 zwei identische Pumpengehäuseteile 33, 34 mittels einer Schraubverbindung befestigt. Das saugseitige sich in Strömungsrichtung erweiternde Pumpengehäuseteil 33 umfasst den Saugstutzen 6 der als zylindrischer Abschnitt 35 ausgeführt ist sowie ein sich daran anschließenden erweiternden Abschnitt 36. Im Übergangsbereich 37 zwischen dem ersten Abschnitt 35 und dem zweiten Abschnitt 36 ist das halbaxiale Laufrad 5 der Fluidpumpe angeordnet. An den sich erweiternden Abschnitt 36 schließt sich in vorliegender Ausführungsform ein weiterer kurz ausgeführter zylindrischer Abschnitt 38 größeren Durchmessers an, um einen sauberen Übergang zum zylindrischen Pumpengehäuseteil 32 zu erreichen.

Entsprechende sich in Strömungsrichtung gesehen verengende Abschnitte und zylindrische Abschnitte weist auch das druckseitige Pumpengehäuseteil 34 auf, wobei aufgrund der Identität der Teile gleiche Bezugszeichen verwendet werden.

Des Weiteren sind in den identischen Pumpengehäuseteilen 33, 34 Nuten 39 ausgebildet, in welche radiale Enden 40 von Rückführschaufeln 41 greifen. Diese Rückführschaufeln 41 dienen als Nachleitapparat 42 mittels dessen hinter dem Druckstutzen 7 eine vollständig drallfreie Strömung erzielt wird. Dieser Nachleitapparat 42 ist an einer Oberfläche 43 des druckseitigen Motorgehäuseteils 9 ausgebildet und wird dadurch notwendig, das die als Leitrad dienenden Stützrippen 31 relativ kurz ausgeführt werden und in diesem Bereich der Fluidpumpe eine vollständige Drallreduzierung in der Regel nicht erreicht wird. Des Weiteren kann das druckseitige Motorgehäuseteil 9 in Kunststoff hergestellt werden, während das saugseitige Motorgehäuseteil möglichst in Aluminium herzustellen und somit teurer ist. Eine Ausführung des Leitrades in diesem Bereich würde ein relativ teures Verfahren zur Herstellung notwendig machen, während der Nachleitapparat am Kunststoffgehäuseteil 9 einfach und kostengünstig herzustellen ist.

Durch die Nuten 39 wird gleichzeitig die Lage des druckseitigen Pumpengehäuseteils 34 zum druckseitigen Motorgehäuseteil 9 festgelegt. Beim Zusammenbau der Pumpe drückt beim Anziehen der Schrauben zur Befestigung des druckseitigen Pumpengehäuseteils 34 am zylindrischen Pumpengehäuseteils 32 das druckseitige Pumpengehäuseteil 34 über die Rückführschaufeln 40 das Motorgehäuseteil 9 gegen das Motorgehäuseteil 8 beziehungsweise in die Aufnahmeöffnungen 29 des Motorgehäuseteils 8. Des Weiteren wird hierdurch das Motorgehäuseteil 9 gegen das Verschlussteil 27 beziehungsweise das Spaltrohr 24 gedrückt, so dass eine zusätzliche Befestigung der beiden Motorgehäuseteile 8, 9 nicht notwendig ist.

Beim Lauf der Pumpe wird das zu fördernde Fluid insbesondere das Kühlmittel durch die Drehung des Laufrades 5, welches aus mehreren Laufradschaufeln 44 besteht, durch den Raum zwischen Pumpengehäuse 32, 33, 34 und Motorgehäuse 8 und 9 gefördert, fließt vorbei an den Stützrippen 31, wo bereits ein Teil des Dralls aus der Strömung durch ihre Funktion als Leitrad entfernt wird und weiter über den Nachleitapparat 42, in dem die Strömung vollständig vom vorhandenen Drall befreit wird, so dass die aufgewendete Energie möglichst vollständig in Druckenergie und somit axiale Strömung umgewandelt werden kann, ohne große Reibungsverluste zu erhalten.

Ein Teil des Fluids strömt hinter dem Laufrad 5 durch Bohrungen 45, welche im saugseitigen Motorgehäuseteil 8 ausgebildet sind. Ein weiterer Teil des Fluids strömt auch hinter dem Laufrad 5 bis zur Antriebswelle 3 und hier zwischen dem ersten Lager 11 und der Antriebswelle 3 hindurch, so dass das vorhandene Gleitlager ausreichend geschmiert wird. Somit steht Kühlflüssigkeit im Rotorraum, welche wiederum zwischen Antriebswelle 3 und dem zweiten Lager 15 sowie durch nicht sichtbare Bohrungen im Verschlussteil 27 in einen dahinter liegenden Raum 46 weitergeführt wird. Dieser Raum 46 ist über eine weitere Bohrung 47, welche axial durch das druckseitige Motorgehäuseteil 9 verläuft, mit dem dahinter liegenden Raum verbunden. Somit entsteht sowohl eine Schmierung der Lager 11, 15 als auch eine Möglichkeit zur Kühlung und Abführung eventuell vorhandener Luftmengen im Rotorraum.

Diese Halbaxialpumpe zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass sie besonders klein zu bauen ist, da bei gleicher Leistungsaufnahme eine gleiche Förderleistung bei geringerer Motorgröße und gesteigerter Drehzahl im Vergleich zu bekannten Pumpen zu erreichen ist. Dies wird insbesondere durch die extrem reduzierten Druckverluste bei einer derartigen Ausführung, aber auch durch die halbaxiale Bauweise erreicht.

Eine derartige Pumpe kann des Weiteren sehr kostengünstig hergestellt werden, da weniger unterschiedlich ausgeführte Bauteile vorhanden sind. Dies reduziert gleichzeitig mögliche Fehler bei der Montage. Durch den Verzicht des zusätzlichen Leitrades und die Integration der elektrischen Kontaktierung in die Stützrippen werden zusätzliche Bauteile vermieden und Druckverluste reduziert. Es wird somit insgesamt ein höherer Wirkungsgrad erreicht.

Selbstverständlich ist es auch möglich aufgrund der Einfachheit der Pumpengehäuseteile 33, 34, diese mit einem am Druck- beziehungsweise Saugstutzen angeordneten Flansch auszustatten. Hierdurch ist es sowohl möglich, eine Anbindung direkt an ein Motorgehäuse herzustellen als auch zur Erhöhung des geförderten Fluidvolumenstroms mehrere Pumpen in Reihe zu schalten. Dies wird insbesondere dadurch möglich, dass durch den Nachleitapparat 42 eine drallfreie Strömung erzeugt wird, so dass direkt das Laufrad 5 einer nachgeschalteten Pumpe angeströmt werden könnte ohne Energieverluste zu erhalten. Somit ist es auch nicht notwendig bei geforderter doppelter Leistung eine größere Pumpe mit wiederum größerem Motor zu bauen, sondern durch die Teilegleichheit einfach die entsprechende benötigte Anzahl Pumpen hintereinander zu schalten.

Auch ist es denkbar, durch die Einfachheit insbesondere des saugseitigen Pumpengehäuseteils 33 dieses einstückig mit Ventilgehäuseteilen auszuführen, so dass das Pumpengehäuseteil 33 beispielsweise eine Aufnahme für einen Bypass oder ein integriertes Thermostatventil aufweist. Auch Teile des Gehäuses eines Ringschieberventils könnten einstückig mit dem saugseitigen Pumpengehäuseteil 33 hergestellt werden.

Es wird darauf hingewiesen, dass es sich bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel lediglich um eine mögliche Ausführung der Erfindung handelt, dessen Konstruktion in verschiedenen Punkten zu ändern ist, ohne den Schutzbereich der Patentansprüche zu verlassen.


Anspruch[de]
Fluidpumpe für Verbrennungskraftmaschinen mit

einem Elektromotor, der einen in einem Motorgehäuse angeordneten Rotor und einen Stator aufweist, wobei der Rotor zumindest drehfest auf einer Antriebswelle angeordnet ist,

einem Laufrad, welches auf der Antriebswelle befestigt ist,

zumindest einem Leitrad, welches in Strömungsrichtung des zu fördernden Fluides hinter dem Laufrad angeordnet ist, und

einem Pumpengehäuse, welches das Motorgehäuse, das Laufrad und das Leitrad umgibt und an dem an den axialen Enden gegenüberliegend ein Druckstutzen und ein Saugstutzen ausgebildet sind,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Fluidpumpe als Halbaxialpumpe ausgebildet ist, deren Pumpengehäuse (32, 33, 34) zumindest zwei identische Pumpengehäuseteile (33, 34) aufweist.
Fluidpumpe für Verbrennungskraftmaschinen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein saugseitiges Pumpengehäuseteil (33) und ein druckseitiges Pumpengehäuseteil (34) identisch ausgebildet sind. Fluidpumpe für Verbrennungskraftmaschinen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die identischen Pumpengehäuseteile (33, 34) einen ersten zylindrischen Abschnitt (35) aufweisen, der als Saug- bzw. Druckstutzen (6,7) dient, und an den sich ein erweiternder Abschnitt (36) anschließt, der in einen zylindrischen Abschnitt (38) größeren Durchmessers endet. Fluidpumpe für Verbrennungskraftmaschinen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im saugseitigen Pumpengehäuseteil (8) im Übergangsbereich zwischen dem ersten zylindrischen und dem sich erweiternden Abschnitt (35; 36) das Laufrad (5) der Fluidpumpe angeordnet ist. Fluidpumpe für Verbrennungskraftmaschinen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitrad (31) in einem zylindrischen Pumpengehäuseteil (32) angeordnet ist, welches axial zwischen den beiden identischen Pumpengehäuseteilen (33, 34) angeordnet ist.






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