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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Fördern eines Kühlfluids, mit einer Schraubenpumpe, welche ein Pumpengehäuse und eine um eine erste Drehachse drehbar gelagerte und in einem axialen Durchlass des Pumpengehäuses angeordnete Spindelschraube umfasst, und mit einem Elektromotor zum Antreiben der Spindelschraube, welcher einen mit dem Pumpengehäuse drehfest verbundenen Stator und einen mit der Spindelschraube rotatorisch gekoppelten Rotor umfasst. Ferner betrifft die Erfindung ein Fahrzeug.
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Vorrichtungen mit Spindelschrauben sind im Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Sie werden beispielsweise in Form von Spindelantrieben verwendet, um eine Rotationsbewegung in eine Translationsbewegung zu transformieren.
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So offenbart die
DE 102 35 078 A1 einen Spindelantrieb für eine nicht näher bestimmte mechanische Anwendung. Der Spindelantrieb umfasst einen Elektromotor mit einem Stator und einem in dem Stator um eine Drehachse drehbar gelagerten und als Hohlwelle ausgebildeten Rotor. Ferner umfasst der Spindelantrieb eine Spindelschraube, welche den Rotor in einer axialen Richtung durchgreift und in einer mit dem Rotor drehfest verbundenen Spindelmutter drehbar gelagert ist. An einem axialen Ende der Spindelschraube ist ein Gelenkkopf zum Anschließen einer Anwendung drehfest angebracht. Eine Rotation des Rotors verschiebt die Spindelschraube und damit den Gelenkkopf in der axialen Richtung, wodurch die an den Gelenkkopf angeschlossene Anwendung betätigt wird.
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Ein weiteres Anwendungsfeld sind Vorrichtungen zum Fördern eines Fluids, welche eine Schraubenpumpe mit einem Strömungskanal und einem Verdrängungselement in Form einer in dem Strömungskanal um eine Drehachse drehbar gelagerten Spindelschraube umfassen. Wenn die Spindelschraube rotiert, wird ein in dem Strömungskanal angeordnetes Fluid in einer axialen Richtung gefördert.
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Eine solche Vorrichtung zum Fördern von Kraftstoff für ein Fahrzeug offenbart die
DE 43 00 512 B4 . Die Vorrichtung umfasst einen Elektromotor mit einem Stator und einem in dem Stator um eine Drehachse drehbar gelagerten Rotor sowie eine den Rotor durchgreifende Spindelschraube, welche in dem Rotor mittels einer Mehrzahl von Wälzkörpern drehbar gelagert ist und an einem axialen Ende einen Kolben aufweist. Eine Rotation des Rotors verschiebt die Spindelschraube und damit den Kolben in einer axialen Richtung, wodurch ein Kraftstoff gefördert wird.
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Die
DE 199 49 082 B4 offenbart eine weitere Vorrichtung zum Fördern von Brennstoff für eine Brennkraftmaschine. Die Vorrichtung kann in einem Tank einer Brennkraftmaschine angeordnet sein und umfasst einen Elektromotor mit einem Stator und einem in einem Gehäuse des Stators um eine Drehachse drehbar gelagerten glockenförmigen Rotor und eine in dem Rotor angeordnete Schraubenpumpe. Die Schraubenpumpe umfasst ein mit dem Stator drehfest verbundenes Pumpengehäuse, eines Spindelschraube und eine in die Spindelschraube eingreifende Laufspindel, welche in dem Pumpengehäuse angeordnet sind. Die Spindelschraube ist in dem Pumpengehäuse um die Drehachse drehbar gelagert und starr mit dem Rotor des Elektromotors verbunden. Während des Betriebs der Vorrichtung rotiert die Spindelschraube synchron mit dem Rotor und fördert Brennstoff, wobei auch der der Elektromotor von dem Brennstoff durchströmt wird.
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Derartige Vorrichtungen zum Fördern eines flüssigen Kraftstoffs oder Brennstoffs sind für einen hohen Fluiddruck und einen niedrigen Volumenstrom ausgelegt. Dagegen muss eine Vorrichtung zum Fördern eines Kühlfluids, beispielsweise für ein Fahrzeug zum Fördern einer Kühlflüssigkeit wie Wasser, für einen hohen Volumenstrom ausgelegt sein, um eine erforderliche Kühlwirkung des Kühlfluids zu gewährleisten.
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Die erstgenannte Vorrichtung erlaubt keinen konstant hohen Volumenstrom und benötigt relativ viel axialen Bauraum, während in der letztgenannten Vorrichtung ein prinzipiell möglicher hoher Volumenstrom beim Durchströmen des Elektromotors einerseits zu Turbulenzen in dem Kühlfluid führt, welche mit einem Druckverlust in dem Kühlfluid und einer starken Geräuschentwicklung, d. h. einer akustischen Emission, einhergehen, und andererseits ein Korrodieren des Elektromotors verursacht.
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Eine Geräuschentwicklung, ein Druckverlust in dem Kühlfluid oder eine Korrosion des Elektromotors sind jeweils unerwünscht, da sie von einer Person als belästigend empfunden werden bzw. den Wirkungsgrad und/oder die Lebensdauer der Vorrichtung verringern können.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Vorrichtung zum Fördern eines Kühlfluids zur Verfügung zu stellen, welche die beschriebenen Nachteile vermeidet. Darüber hinaus ist es Aufgabe der Erfindung, ein Fahrzeug mit einer Vorrichtung zum Fördern eines Kühlfluids vorzusch lagen.
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Ein Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Fördern eines Kühlfluids, mit einer Schraubenpumpe, welche ein Pumpengehäuse und eine um eine erste Drehachse drehbar gelagerte und in einem axialen Durchlass des Pumpengehäuses angeordnete Spindelschraube umfasst, und mit einem Elektromotor zum Antreiben der Spindelschraube, welcher einen mit dem Pumpengehäuse drehfest verbundenen Stator und einen mit der Spindelschraube rotatorisch gekoppelten Rotor umfasst. Die Fördervorrichtung kann beispielsweise als Kühlwasserpumpe in einem Kraftfahrzeug verbaut sein.
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Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Rotor an dem Pumpengehäuse um eine zu der ersten Drehachse parallele und beabstandete zweite Drehachse drehbar gelagert und von der Spindelschraube axial durchgriffen. Die zweite Drehachse kann demnach als Rotordrehachse bezeichnet werden. Auf diese Weise lässt sich der Stator des Elektromotor gegenüber dem strömenden Kühlfluid kapseln, wodurch der Stator vor einer Korrosion durch das Kühlfluid geschützt ist. Da auch der Rotor des Elektromotors beabstandet zu dem strömenden Kühlfluid angeordnet ist, verursacht der Elektromotor keine Turbulenzen in dem Kühlfluid, so dass ein Druckverlust in dem Kühlfluid sowie eine Geräuschentwicklung in dem strömenden Kühlfluid vermieden werden. Zudem benötigt die Vorrichtung bezogen auf die axiale Richtung einen sehr kleinen Bauraum.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Schraubenpumpe eine in dem Pumpengehäuse angeordnete und um eine zu der ersten Drehachse und zu der zweiten Drehachse parallele und beabstandete dritte Drehachse drehbar gelagerte Laufspindel, welche mit der Spindelschraube im Eingriff ist. Die Laufspindel bildet neben der Spindelschraube ein weiteres Verdrängungselement und ist dank des wechselseitigen Eingriffs von der Spindelschraube antreibbar, d. h. nur die Spindelschraube der Schraubenpumpe ist von dem Elektromotor angetrieben.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Pumpengehäuse eine Zylinderform aufweist und der Rotor als ein Hohlzylinder ausgebildet und umfasst ein Wälzlager, mittels dessen der Rotor des Elektromotors an einer Umfangsfläche des Pumpengehäuses gelagert ist. Mit anderen Worten kann der Rotor entlang der Umfangsfläche des Pumpengehäuses rotieren. Das Wälzlager kann kugelförmige oder zylinderförmige Wälzelemente umfassen.
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In weiteren Ausführungsformen umfasst der Stator ein Statorgehäuse, innerhalb dessen das Pumpengehäuse angeordnet ist und welches eine Zuflussöffnung, eine Abflussöffnung und einen die Zuflussöffnung mit der Abflussöffnung verbindenden Strömungskanal für ein Kühlfluid definiert, welcher sich durch den axialen Durchlass des Pumpengehäuses erstreckt. Die Zuflussöffnung, der axiale Durchlass und die Abflussöffnungen lassen sich hinsichtlich ihrer jeweiligen Querschnittsflächen entsprechend einem erforderlichen Volumenstrom ausbilden.
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Bevorzugt sind eine Querschnittsfläche der Zuflussöffnung und eine Querschnittsfläche der Abflussöffnung kreisförmig ausgebildet, weisen einen identischen Flächeninhalt auf und sind bezogen auf die zweite Drehachse zentriert. Kreisförmige Zufluss- und Abflussöffnungen korrespondieren zu zylinderförmigen Fluidanschlüssen der Vorrichtung, wodurch ein Anschließen üblicherweise zylinderförmiger Kühlfluidleitungen, beispielsweise Kühlschläuche oder Kühlrohre, eines Kühlkreises einfach möglich ist.
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In vorteilhaften Ausführungsformen ist eine axiale Projektion einer Querschnittsfläche des axialen Durchlasses des Pumpengehäuses in eine Ebene der Querschnittsfläche der Zuflussöffnung oder der Abflussöffnung vollständig in der Querschnittsfläche der Zuflussöffnung oder der Abflussöffnung enthalten. Anders gesagt steht der axiale Durchlass in radialer Richtung nicht von der Zuflussöffnung oder der Abflussöffnung vor. Dadurch begrenzen die Zuflussöffnung oder die Abflussöffnung eine maximale Querschnittsfläche des axialen Durchlasses, während ein Volumenstrom des Kühlfluids von der möglicherweise kleineren Querschnittsfläche des axialen Durchlasses abhängig ist.
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In bevorzugten Ausführungsformen umfasst die Vorrichtung ein an dem Statorgehäuse und/oder an dem Pumpengehäuse drehbar gelagertes Zahnrad und steht bei der Vorrichtung der Rotor über das Pumpengehäuse in Richtung der Abflussöffnung axial vor und weisen der Rotor in einem zu der Abflussöffnung weisenden Randbereich eine Innenverzahnung und die Spindelschraube an einem zu der Abflussöffnung weisenden axialen Ende eine Außenverzahnung auf, welche jeweils mit dem Zahnrad in Eingriff sind. Beispielsweise kann das Zahnrad mittels einer zentralen Bohrung auf einer an dem Pumpengehäuse und/oder dem Statorgehäuse befestigten zylinderförmigen Achse oder eine mit dem Zahnrad drehfest verbundene Welle in einem an dem Pumpengehäuse und/oder dem Statorgehäuse vorgesehenen Radiallager gelagert sein. Es besteht demnach keine starre rotatorische Kopplung zwischen der Spindelschraube und dem Rotor. Vielmehr ist die rotatorische Kopplung von dem Zahnrad vermittelt. Aufgrund des Zahnrads kann daher eine Drehgeschwindigkeit der Spindelschraube von einer Drehgeschwindigkeit des Rotors abweichen, was ein Einstellen eines Volumenstroms des Kühlfluids erlaubt.
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Besonders bevorzugt weist der Rotor in dem axial vorstehenden Randbereich einen radial nach innen weisenden kreisringförmigen Vorsprung aufweist, an dem die Innenverzahnung ausgebildet ist. Auf diese Weise ist ein Umfang der Innenverzahnung verringert, so dass bei einer identischen Außenverzahnung der Spindelschraube das Zahnrad einen kleineren Durchmesser und entsprechend weniger Zähne aufweist, was mit einer größeren Übersetzung einhergeht. Mit einer radialen Breite des kreisringförmigen Vorsprungs lässt sich der Volumenstrom des Kühlfluids flexibel einstellen.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Zahnrad derart angeordnet, dass eine axiale Projektion des Zahnrads in eine Ebene einer Querschnittsfläche einer Abflussöffnung eines Statorgehäuses des Stators außerhalb der Querschnittsfläche der Abflussöffnung angeordnet ist. Mit anderen Worten ragt das Zahnrad nicht in den Strömungskanal hinein. Dadurch werden Turbulenzen in dem Kühlfluid und eine Verringerung des Volumenstroms durch das Zahnrad vermieden.
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Gegenstand der Erfindung ist auch ein Fahrzeug, mit einem Kühlkreis, welcher eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Fördern eines Kühlfluids umfasst. Dank der erfindungsgemäßen Fördervorrichtung verfügt das Fahrzeug über eine effiziente und langlebige Kühlung, welche zudem eine geringe Geräuschentwicklung, d. h. geringe akustische Emissionen, aufweist.
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Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, dass sie gleichzeitig eine hohe Kühlleistung ermöglicht, eine lange Lebensdauer und während des Betriebs eine geringe Geräuschentwicklung aufweist.
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Die Erfindung ist anhand einer Ausführungsform in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen weiter beschrieben. Es zeigt:
- 1 in einer schematischen Darstellung eine radiale Schnittansicht einer Vorrichtung zum Fördern eines Kühlfluids nach einer Ausführungsform der Erfindung;
- 2 in einer schematischen Darstellung eine Querschnittansicht der in 1 gezeigten Vorrichtung auf die mit II-II bezeichnete Schnittebene in Pfeilrichtung.
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1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine radiale Schnittansicht einer Vorrichtung 1 zum Fördern eines Kühlfluids nach einer Ausführungsform der Erfindung. Die Vorrichtung 1 kann beispielsweise in einem nicht dargestellten Fahrzeug als Teil eines Kühlkreises verbaut sein, in welchem Wasser als das Kühlfluid zirkuliert.
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Die Vorrichtung 1 umfasst eine Schraubenpumpe 10. Die Schraubenpumpe 10 umfasst ein abschnittsweise zylinderförmiges Pumpengehäuse 11, welches eine Zylinderform und einen axialen Durchlass 13 aufweist.
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Die Vorrichtung 1 umfasst ferner eine Spindelschraube 12. Die Spindelschraube 12 ist um eine erste Drehachse 2 drehbar gelagert und in dem axialen Durchlass 13 des Pumpengehäuses 11 angeordnet.
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Die Schraubenpumpe 10 umfasst weiterhin eine um eine zu der ersten Drehachse 2 parallele und beabstandete dritte Drehachse 4 drehbar gelagerte Laufspindel 14, welche in dem radialen Durchlass 13 des Pumpengehäuses 11 angeordnet und mit der Spindelschraube 12 im Eingriff ist.
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Ferner umfasst die Vorrichtung 1 einen Elektromotor 20 zum Antreiben der Spindelschraube 12. Der Elektromotor 20 umfasst einen mit dem Pumpengehäuse 11 drehfest verbundenen Stator 30, welcher eine oder mehrere Spulenwicklungen 32 trägt, und einen mit der Spindelschraube 12 rotatorisch gekoppelten Rotor 40, welcher einen oder mehrere Permanentmagnete 41 trägt.
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Der Stator 30 des Elektromotors 20 umfasst ein Statorgehäuse 31, innerhalb dessen das Pumpengehäuse 11 angeordnet ist und welches eine Zuflussöffnung 33, eine Abflussöffnung 34 und einen die Zuflussöffnung 33 mit der Abflussöffnung 34 verbindenden Strömungskanal 35 für ein Kühlfluid definiert, welcher sich durch den axialen Durchlass 13 des Pumpengehäuses 11 erstreckt.
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Eine Querschnittsfläche der Zuflussöffnung 33 und eine Querschnittsfläche der Abflussöffnung 34 sind kreisförmig ausgebildet, weisen einen identischen Flächeninhalt auf und sind bezogen auf die zweite Drehachse 3, also die Rotordrehachse, zentriert. Zudem ist eine axiale Projektion einer Querschnittsfläche des axialen Durchlasses 13 des Pumpengehäuses 11 in eine Ebene der Querschnittsfläche der Zuflussöffnung 33 oder der Abflussöffnung 34 vollständig in der Querschnittsfläche der Zuflussöffnung 33 oder der Abflussöffnung 34 enthalten.
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Der Rotor 40 des Elektromotors 20 ist von der Spindelschraube 12 axial durchgriffen und an dem Pumpengehäuse 11 um eine zu der ersten Drehachse 2 und der dritten Drehachse 4 parallele und beabstandete zweite Drehachse 3 drehbar gelagert. Mit anderen Worten erstrecken sich die Drehachsen 2, 3, 4 paarweise parallel und beabstandet zueinander, d. h. sind nicht koaxial angeordnet. Der Rotor 40 ist als ein Hohlzylinder ausgebildet und mittels eines Wälzlagers 50 der Vorrichtung 1 an einer Umfangsfläche des Pumpengehäuses 11 gelagert.
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Der Rotor 40 steht über das Pumpengehäuse 11 in Richtung der Abflussöffnung 34 axial vor und weist in einem zu der Abflussöffnung 34 weisenden Randbereich eine Innenverzahnung 42 auf. In weiteren Ausführungsformen weist der Rotor 40 in dem axial vorstehenden Randbereich einen radial nach innen weisenden kreisringförmigen Vorsprung auf, an dem die Innenverzahnung 42 ausgebildet ist. Korrespondierend dazu weist die Spindelschraube 12 an einem zu der Abflussöffnung 34 weisenden axialen Ende eine Außenverzahnung 15 auf.
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Die Vorrichtung 1 umfasst weiterhin ein an dem Statorgehäuse 31 und an dem Pumpengehäuse 11 drehbar gelagertes Zahnrad 60. Dazu wird das Zahnrad 60 von einer Achse durchgriffen, deren gegenüberliegende freie Enden jeweils an dem Statorgehäuse 31 und an dem Pumpengehäuse 11 befestigt sind.
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Die Innenverzahnung 42 des Rotors 40 und die Außenverzahnung der Spindelschraube sind jeweils mit dem Zahnrad 60 in Eingriff. Das Zahnrad 60 ist derart angeordnet, dass eine axiale Projektion des Zahnrads 60 in eine Ebene einer Querschnittsfläche einer Abflussöffnung 34 eines Statorgehäuses 31 des Stators 30 außerhalb der Querschnittsfläche der Abflussöffnung 34 angeordnet ist.
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2 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Querschnittansicht der in 1 gezeigten Vorrichtung 1 auf die mit II-II bezeichnete Schnittebene in Pfeilrichtung. Die Vorrichtung 1 hat einen im Wesentlichen rotationssymmetrischen Aufbau. Von radial außen nach radial innen umfasst der Aufbau das Statorgehäuse 31, die Spulenwicklung 32, den Permanentmagneten 41, den Rotor 40 und das Pumpengehäuse 11, welche konzentrisch angeordnet sind. Das exzentrisch angeordnete Zahnrad 60 und der nicht rotationssymmetrische axiale Durchlass 13 sowie die in dem axialen Durchlass 13 angeordneten Spindelschraube 12 und Laufspindel 14 brechen die Rotationssymmetrie der Vorrichtung 1.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- erste Drehachse
- 3
- zweite Drehachse
- 4
- dritte Drehachse
- 10
- Schraubenpumpe
- 11
- Pumpengehäuse
- 12
- Spindelschraube
- 13
- axialer Durchlass
- 14
- Laufspindel
- 15
- Außenverzahnung
- 20
- Elektromotor
- 30
- Stator
- 31
- Statorgehäuse
- 32
- Spulenwicklung
- 33
- Zuflussöffnung
- 34
- Abflussöffnung
- 35
- Strömungskanal
- 40
- Rotor
- 41
- Permanentmagnet
- 42
- Innenverzahnung
- 50
- Wälzlager
- 60
- Zahnrad
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10235078 A1 [0003]
- DE 4300512 B4 [0005]
- DE 19949082 B4 [0006]