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.

Von der Anmelderin wurde in der DE 100 47 387 A1 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 „StromausfaH" 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 kleinstmög liehe 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 Wirkungsgrad Verluste 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. 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 Verbrenn ungsmotore 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.a. 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 0 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