Titel

Zweistufige Kreiselpumpe

Die Erfindung betrifft eine Kreiselpumpe. Insbesondere betrifft die Erfindung eine zweistufige Kreiselpumpe für eine Kühlflüssigkeit in einem Kraftfahrzeug.

Stand der Technik

Einstufige Kreiselpumpen, beispielsweise zum Fördern einer Kühlflüssigkeit, sind in verschiedenen Variationen bekannt. Beispielsweise ist ein der EP 1850448 A1 eine einstufige Kreiselpumpe gezeigt, bei der ein Rotor eines die Kreiselpumpe antreibenden Elektromotors integriert mit einem Flügelrad der Kreiselpumpe ausgeführt ist.

In komplexen Umfeldern wie in einem Kraftfahrzeug werden variierende Anforderungen an eine Kreiselpumpe gestellt. Moderne Kraftfahrzeuge umfassen beispielsweise diverse Zusatz-Kühlkreisläufe, etwa zur Ladeluftkühlung oder zur Kühlung von Elektronikmodulen, die einen höheren Druckaufbau bei gleichem oder geringerem Fördervolumen gegenüber einer in einem Haupt-Kühlkreislauf verwendeten Kreiselpumpe erfordern können. Eine grundsätzlich für diese Anforderungen geeignete einstufige Kreiselpumpe mit höherer Leistungsfähigkeit als die Haupt-Kreiselpumpe ist üblicherweise wesentlich teurer und weist einen größeren Außendurchmesser auf, so dass sie nicht ohne Weiteres so wie die Haupt-Kreiselpumpe im Kraftfahrzeug angebracht werden kann.

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Kreiselpumpe anzugeben, die bei hohem Druckaufbau kompakte Außenmaße aufweist und einfach zu montieren ist. Das Problem wird gelöst durch eine Kreiselpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Anspruch 9 nennt ein Verfahren zum Montieren einer solchen Kreiselpumpe; Unteransprüche geben mögliche bzw. vorteilhafte Ausführungsformen an.

Offenbarung der Erfindung

Nach einem ersten Aspekt der Erfindung umfasst eine Kreiselpumpe, insbesondere für eine Kühlflüssigkeit in einem Kraftfahrzeug, eine erste Kreiselpumpen- stufe mit einem ersten Pumpengehäuse und einem drehbar darin angeordneten ersten Flügelrad, eine Antriebseinrichtung zum koaxialen Antrieb des ersten Flügelrades, eine zweite Kreiselpumpenstufe mit einem zweiten Pumpengehäuse und einem drehbar darin angeordneten zweiten Flügelrad und ein zwischen dem ersten und dem zweiten Pumpengehäuse angeordnetes Zwischengehäuse zum Umlenken eines vom ersten Flügelrad abgeströmten Flüssigkeitsstroms zu einem Einlassbereich des zweiten Flügelrades.

Durch Verwenden einer zweistufigen Kreiselpumpe kann die zu fördernde Flüssigkeit zunächst in der ersten Kreiselpumpenstufe gefördert und anschließend in der zweiten Kreiselpumpenstufe unter einen erhöhten Druck gesetzt werden. So kann eine gesteigerte Druckerhöhung gegenüber einer einstufigen Kreiselpumpe bei gleichbleibendem Außendurchmesser realisiert werden, so dass ein vorhandener Einbauraum unverändert genutzt werden kann und gegebenenfalls Befestigungselemente wie eine Gummimanschette unverändert übernommen werden können. Das Zwischengehäuse kann Ablenkelemente umfassen, die den Flüssigkeitsstrom von einem achsfernen Abström bereich des ersten Flügelrades zu einem achsnahen Einlassbereich des zweiten Flügelrades umlenken. Die Umlenkelemente können beispielsweise sichelförmig auf eine gemeinsame Drehachse beider Flügelräder zulaufen.

Das Zwischengehäuse kann stoffschlüssig mit dem zweiten Pumpengehäuse verbunden sein. Die Stoffschlüssigkeit ermöglicht eine korrosionsbeständige und damit robuste und langlebige Verbindung. Die Verbindung kann beispielsweise mittels Kleben, Laserschweißen, Ultraschallschweißen, Warmverprägen oder ei- ner anderen bekannten Verbindungsart verbunden sein. In einer weiteren Ausführungsform kann das Zwischengehäuse auch mit dem ersten Pumpengehäuse verbunden sein. Ferner kann das Zwischengehäuse auch lediglich kraftschlüssig mittels einer beliebigen bekannten Technik mit einem der beiden Pumpengehäuse verbunden sein. Durch die Verbindung entsteht eine separat handhabbare Einheit, die bei einer Montage der Kreiselpumpe vorteilhaft sein kann.

Die Pumpengehäuse der Kreiselpumpe können aneinander angrenzen und das Zwischengehäuse kann in dem ersten Pumpengehäuse aufgenommen sein. Das Zwischengehäuse kann im ersten Pumpengehäuse einen Raum einnehmen, der in ähnlicher Weise im zweiten Pumpengehäuse vorgesehen ist, und dort beispielsweise von einem Abschnitt der angrenzenden Antriebseinrichtung ausgefüllt ist. So können die beiden Pumpengehäuse ähnliche oder abschnittweise i- dentische Innengeometrien aufweisen, was Fertigungskosten reduzieren kann.

Die Antriebseinrichtung kann einen Lagerbolzen und einen Rotor mit einer drehbar auf dem Lagerbolzen gelagerten Antriebshülse umfassen, mit der das zweite Flügelrad drehmomentschlüssig verbunden ist. Der Lagerbolzen kann drehfest zu einem Stator der Antriebseinrichtung angeordnet sein. Auf diese Weise muss das zweite Flügelrad nicht integriert mit dem Rotor hergestellt werden, sondern kann erst im Rahmen einer Vor- oder Endmontage drehmomentschlüssig mit dem Rotor verbunden werden. Darüber hinaus kann auch das erste Flügelrad auf dem Lagerbolzen drehbar angeordnet sein, so dass eine axiale Ausrichtung der Antriebseinrichtung und beider Flügelräder mittels des Lagerbolzens gewährleistet ist.

Dabei kann das erste Flügelrad mittels einer Mitnahmegeometrie drehmomentschlüssig mit der Antriebshülse verbunden sein. Die Mitnahmegeometrie kann beispielsweise ineinander eingreifende kronenförmige Konturen an angrenzenden Stirnflächen der Antriebshülse und des ersten Flügelrads umfassen. Die Mitnahmegeometrie kann so ausgeformt sein, dass das erste Flügelrad mit der Antriebshülse ohne Kraftaufwand in Eingriff gebracht werden kann, so dass ein Montagevorgang die Präzision der Anordnung nicht beeinflusst.

Das erste Flügelrad kann auch mittels einer Mitnahmegeometrie drehmomentschlüssig mit dem zweiten Flügelrad verbunden sein. Die erste Kreiselpumpenstufe, die zweite Kreiselpumpenstufe und die Antriebseinrichtung können axial hintereinander angeordnet sein und das erste Pumpengehäuse kann einen zu einem achsnahen Einlassbereich des ersten Flügelrades führenden Ansaugstutzen umfassen. Dadurch kann insbesondere ein der Antriebseinheit abgewandter Abschnitt der zweistufigen Kreiselpumpe so ausgeformt sein wie bei der einstufigen Kreiselpumpe, so dass eine Austauschbarkeit erleichtert ist.

Ein Spaltbereich zwischen dem rotierenden ersten Flügelrad und dem ersten Pumpengehäuse kann einem Spaltbereich zwischen dem rotierenden zweiten Flügelrad und dem zweiten Pumpengehäuse entsprechen, so dass das zweite Flügelrad anstelle des ersten Flügelrades in das erste Pumpengehäuse einsetzbar ist, um eine einstufige Kreiselpumpe zu bilden. Bei einer Fertigung von Kreiselpumpen auf einer teil- oder vollautomatisierten Fertigungslinie kann so mit ü- berschaubarem Umrüstaufwand zwischen einer Produktion einstufiger Kreiselpumpen und zweistufiger Kreiselpumpen gewechselt werden.

Nach einem zweiten Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Montieren der oben beschriebenen zweistufigen Kreiselpumpe Schritte des Aufschiebens des zweiten Flügelrades auf die Antriebshülse des Rotors, des Aufsetzens des zweiten Pumpengehäuses mit dem Zwischengehäuse auf die Antriebseinrichtung, des Aufschiebens des ersten Flügelrades auf den Lagerbolzen und des Aufsetzens des ersten Pumpengehäuses auf das zweite Pumpengehäuse. Durch den gewählten Aufbau der Kreiselpumpe umfasst ihre Endmontage nur noch wenige, mit geringen Anforderungen, beispielsweise an Präzision, Kraftaufwand und Geschwindigkeit, durchführbare Arbeitsschritte.

Das Verfahren kann auch den vorangehenden Schritt des Verbindens des Zwi- schengehäuses mit dem zweiten Pumpengehäuse umfassen. Auf diese Weise entsteht eine separat handhabbare Einheit, die das Verfahren zum Montieren weiter vereinfacht. Optional kann auch das zweite Flügelrad mit der Antriebshülse und dem Rotor der Antriebseinrichtung bereits vorher zu einer separat handhabbaren Einheit zusammengefügt werden. Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:

Figur 1 einen Längsschnitt durch eine zweistufige Kreiselpumpe;

Figur 2 eine isometrische Ansicht des zweiten Pumpengehäuses mit dem Zwischengehäuse aus Figur 1 ;

Figur 3a eine drehmomentschlüssige Verbindung des ersten mit dem zweiten Flügelrad in Figur 1 ;

Figur 3b eine Variation der Verbindung aus Figur 3a; und

Figur 4 ein Verfahren zum Montieren der Kreiselpumpe aus Figur 1 darstellt. Identische bzw. einander entsprechende Elemente tragen die gleichen Bezugszeichen in allen Figuren.

Figur 1 zeigt einen Längsschnitt durch die Kreiselpumpe 100. Die Kreiselpumpe 100 umfasst eine erste Pumpenstufe 102, eine zweite Pumpenstufe 104 und einen Elektromotor 106 als Antriebseinrichtung. Die erste Pumpenstufe 102 umfasst ein erstes Pumpengehäuse 108 und ein erstes Flügelrad 1 10, zwischen denen ein erster Spaltbereich 1 12 gebildet ist. Die zweite Pumpenstufe 104 umfasst ein zweites Pumpengehäuse 1 14 und ein zweites Flügelrad 1 16, zwischen denen ein zweiter Spaltbereich 1 18 gebildet ist. In einem Bereich zwischen der ersten Pumpenstufe 102 und der zweiten Pumpenstufe 104 ist ein Zwischengehäuse 120 angeordnet. Das erste Pumpengehäuse 108 liegt am zweiten Pumpengehäuse 1 14 an und ist mittels eines O-Rings 122 gegen dieses abgedichtet. Das zweite Pumpengehäuse 1 14 liegt am Elektromotor 106 an und ist in ent- sprechender Weise mittels eines O-Rings 124 gegenüber diesem abgedichtet.

Der Elektromotor 106 umfasst einen Stator 128, einen Rotor 130 mit Permanentmagneten 132, ferner eine Antriebshülse 134, einen Lagerbolzen 136, eine elektrische Steuereinrichtung 138 und ein Gehäuse 140. Bolzenkanäle 142 durchlaufen das erste Pumpengehäuse 108, das zweite Pumpengehäuse 1 14 und das Gehäuse 140 des Elektromotors 106, um jeweils Bolzen (nicht dargestellt) aufzunehmen, welche die Kreiselpumpe 100 zusammenhalten.

Mittels Pfeilen angedeutet ist eine Strömungsrichtung einer Flüssigkeit durch die Kreiselpumpe 100. Die Flüssigkeit tritt unten durch einen am ersten Pumpengehäuse 108 ausgebildeten Ansaugstutzen 144 ein und gelangt zu einem achsna- hen Einlassbereich des ersten Flügelrads 1 10. Das Flügelrad 1 10 dreht sich im Betrieb um den Lagerbolzen 136, so dass die Flüssigkeit in radialer Richtung beschleunigt und nach außen abgeströmt wird. Auf seiner linken Seite weist das Zwischengehäuse 120 eine Aussparung auf, durch die die abgeströmte Flüssig- 5 keit nach oben steigt und entlang von Umlenkelementen 146 des Zwischengehäuses 120 auf den Lagerbolzen 136 zu fließt. Von dort aus gelangt die Flüssigkeit weiter nach oben in einen achsnahen Einlassbereich des zweiten Flügelrades 1 16. Im Betrieb dreht sich dieses ebenfalls um den Lagerbolzen 136, so dass die Flüssigkeit wieder in radialer Richtung beschleunigt und nach außen 10 abgeströmt wird. Das zweite Pumpengehäuse 1 14 weist einen größeren Innendurchmesser als der Außendurchmesser des zweiten Flügelrades 1 16 auf, so dass ein radialer Zwischenraum gebildet ist, entlang dessen die abgeströmte Flüssigkeit in Richtung eines am Umfang des zweiten Pumpengehäuses 1 14 ausgebildeten Druckstutzens 148 fließt, durch welchen die Flüssigkeit die Kreil s seipumpe 100 schließlich verlässt.

An seinem oberen Ende ist der Lagerbolzen 136 an einem Abschnitt des Stators 128 drehfest aufgenommen, beispielsweise mittels einer Press- oder Passverbindung. Auf dem Lagerbolzen 136 drehbar angeordnet ist die Antriebshülse

20 134, die drehstabil mit den Permanentmagneten 132 und dem zweiten Flügelrad

1 16 verbunden ist. Zur Befestigung der Permanentmagneten 132 an der Antriebshülse 134 können weitere Bauelemente verwendet werden, beispielsweise ein nicht gezeigter Magnetträger. Dieser kann die Permanentmagneten 132 flüssigkeitsdicht einschließen. Abgesehen davon ist der Rotor 130 von der zu för-

25 dernden Flüssigkeit umspült. Eine Position der Antriebshülse 134 auf dem Lagerbolzen 136 nach oben ist durch Anliegen der Antriebshülse 134 am Stator 128 begrenzt.

An seinem unteren Ende ist der Lagerbolzen 136 in einer am ersten Pumpenge- 30 häuse 108 ausgeformten Aufnahme angeordnet. Der Lagerbolzen 136 ist an seinem unteren Ende gefast, um sein Einführen in die Aufnahme zu erleichtern. Oberhalb der Aufnahme ist das erste Flügelrad 1 10 drehbar um den Lagerbolzen 136 angeordnet. Hierfür ist zwischen dem ersten Flügelrad 1 10 und dem Lagerbolzen 136 eine Lagerbuchse 150 angeordnet, die drehstabil mit dem ersten Flü- 35 gelrad 1 10 verbunden ist, beispielsweise durch Schrumpfen, Pressen, Kleben oder Anspritzen. Eine Position des ersten Flügelrades 1 10 auf dem Lagerbolzen 136 nach unten ist durch Anliegen des ersten Flügelrades 1 10 am ersten Pumpengehäuse 108 begrenzt. Eine Einrichtung zur Übertragung von Drehmoment vom zweiten Flügelrad 1 16 bzw. der Antriebshülse 134 zum ersten Flügelrad 1 10, die auch eine Position des ersten Flügelrades 1 10 nach oben und der An- triebshülse 134 nach unten begrenzt, ist in Figur 1 nicht dargestellt und wird unten mit Bezug auf die Figuren 3a und 3b ausführlich beschrieben.

Figur 2 zeigt eine isometrische Darstellung des Zwischengehäuse 120. In der Mitte weist das Zwischengehäuse 120 eine runde Mittenaussparung 205 auf, im vorderen Bereich ist eine seitliche Aussparung 210 erkennbar, durch die Flüssigkeit von der Unterseite des Zwischengehäuses 120 zu den Umlenkelementen 146 im Bereich der Oberseite des Zwischengehäuses 120 strömen kann. Auf einer oberen Oberfläche des Zwischengehäuses 120 sind fünf sichelförmige Umlenkelemente 146 angeordnet, die von einem Radius des Zwischengehäuses 120 aus auf die zentrische Mittenaussparung 205 zu verlaufen. Der Radius ist so gewählt, dass ein radial außen liegender Bereich der Oberseite des Zwischengehäuses 120 ungehindert von Flüssigkeit umspült werden kann.

Jedes Umlenkelement 146 weist auf seiner Oberseite einen Zapfen 220 zum Eingriff in und optionalen Verkleben mit korrespondierenden Aussparungen im zweiten Pumpengehäuse 1 14 auf. In einer anderen Ausführungsform fehlen die Zapfen 220 und das Zwischengehäuse 120 wird im Bereich der Umlenkelemente 146 flächig mit dem zweiten Pumpengehäuse 1 14 verklebt. Durch Verbinden des Zwischengehäuses 120 mit dem zweiten Pumpengehäuse 1 14 entsteht eine se- parat handhabbare Einheit.

Figur 3a zeigt eine in Figur 1 nicht dargestellte Einrichtung zur Übertragung von Drehmoment zwischen dem ersten Flügelrad 1 10 und dem zweiten Flügelrad 1 16. Das erste Flügelrad 1 10 ist drehfest mit der Lagerbuchse 150 verbunden, das auf dem Lagerbolzen 136 frei drehbar gelagert ist. Im Unterschied zu der

Darstellung in Figur 1 durchläuft die Lagerbuchse 150 das erste Flügelrad nur in einem unteren Abschnitt.

Das zweite Flügelrad 1 16 ist drehfest mit der Antriebshülse 134 verbunden, die auf dem Lagerbolzen 136 frei drehbar gelagert ist. Im Bereich des Lagerbolzens

136 ist das zweite Flügelrad an seinem unteren Ende nach unten weisend lang ausgeformt, so dass seine untere Stirnfläche an die obere Stirnfläche des ersten Flügelrades 1 10 angrenzt. Dadurch wird ein Abstand der Flügelräder 1 10 und 1 16 auf dem Lagerbolzen 136 beschränkt. Im Bereich der aneinanderstoßenden Stirnflächen der Flügelräder 1 10 und 1 16 befindet sich ein Kronenprofil 152, von dem auf der rechten Seite des Lagerbolzens 136 ein Zacken sichtbar ist. Mit Hilfe des Kronenprofils 152 sind die Flügelräder 1 10 und 1 16 drehmomentstabil miteinander verbunden. Die im Eingriff befindlichen Flanken des Kronenprofils 152 können beispielsweise rechteck-, trapez- oder wellenförmig um den Lagerbolzen 136 verlaufen und es können einer oder mehrere Zacken von dem Kronenprofil 152 umfasst sein. Benachbarte Flanken der Zacken können parallel oder auch schräg zueinander verlaufen, so dass ein Drehmoment bevorzugt in einer Drehrichtung übertragen wird. Dadurch kann eine Montage der Flügelräder 1 10 und 1 16 aneinander erleichtert werden. In einer weiteren Ausführungsform kann auch ein zum Lagerbolzen 136 paralleler Mitnehmerstift (nicht dargestellt) in korrespondierende Aussparungen der Flügelräder 1 10 und 1 16 eingreifen und diese drehmomentschlüssig miteinander verbinden.

Figur 3b zeigt eine alternative Ausführungsform der in Figur 3a gezeigten Vorrichtung zum Einsatz in der Kreiselpumpe 100 aus Figur 1 . Die Vorrichtung entspricht im Wesentlichen derer von Figur 3a, mit dem Unterschied, dass nicht die untere Stirnfläche des zweiten Flügelrads 1 16, sondern die untere Stirnfläche der Antriebshülse 134 mit der oberen Stirnfläche des ersten Flügelrades 1 10 über das Kronenprofil 152 in Eingriff steht.

Figur 4 zeigt ein Verfahren 400 mit Schritten 405 bis 465 zur Montage der Kreiselpumpe 100 aus Figur 1. Im Schritt 405 befindet sich das Verfahren 400 im Startzustand. Im ersten Schritt 410 wird der Stator 128 zusammen mit dem Gehäuse 140 und der Steuereinrichtung 138 so orientiert, dass der Lagerbolzen 136 nach oben weist. Anschließend wird im Schritt 415 der Rotor 130 mit den Permanentmagneten 132 auf die Antriebshülse 134 aufgeschoben. Danach im Schritt 420 das zweite Flügelrad 1 16 auf die Antriebshülse 134 aufgeschoben. Die somit erstellte Unterbaugruppe wird im folgenden Schritt 425 auf den Lagerbolzen 136 aufgeschoben und liegt am Stator 128 des Elektromotors 106 auf. Danach wird der zweite O-Ring 124 in das zweite Pumpengehäuse 1 14 eingesetzt und anschließend im Schritt 435 das zweite Pumpengehäuse 1 14 auf den Elektromotor 106 aufgesetzt. Nun wird im Schritt 440 das erste Flügelrad 1 10 auf den Lagerbolzen 136 aufgeschoben. Dann wird im Schritt 445 der erste O-Ring 122 in das erste Pumpengehäuse 108 eingesetzt und das erste Pumpengehäuse 108 im Schritt 450 auf das zweite Pumpengehäuse 1 14 aufgesetzt. In den folgenden Schritten 455 und 460 werden Bolzen in die Bolzenkanäle 142 eingeführt und angezogen, beispielsweise durch Verschrauben oder Vernieten. Danach befindet sich das Verfahren im Endzustand 465.

Mittels des Verfahrens 400 lässt sich die Kreiselpumpe 100 effizient montieren, wobei lediglich in den auch separat durchführbaren Schritten 415 und 420 und im abschließenden Schritt 460 größere Kräfte aufgewendet werden müssen. In Zwischenstadien zwischen den Verfahrensschritten 405 bis 465 des Verfahrens 400 werden bereits aneinander angeordnete Elemente der Pumpe 100 durch Schwerkraft aneinander gehalten, so dass keine Halte- oder Klemmvorrichtungen erforderlich sind. Durch Verwendung eines Kronenprofils 152 wird die Lagerung der beweglichen Bauteile 1 10, 150, 1 16, 134 der Kreiselpumpe 100 entlang des Lagerbolzens 136 definiert und gleichzeitig wird ein Drehmomentfluss zum ersten Flügelrad 1 10 hergestellt, ohne Elemente der Kreiselpumpe 100 durch den Montagevorgang mechanisch zu belasten.