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Die Erfindung betrifft eine Kreiselpumpe mit einem Gehäuse mit einem Einlass für ein zu förderndes Fluid und einem drehbar innerhalb eines Pumpenraumes des Gehäuses gelagerten Pumpenrad, wobei zwischen dem Pumpenrad und dem Gehäuse ein den Einlass und den Pumpenraum miteinander verbindender Dichtspalt gegeben ist.
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Eine solche Kreiselpumpe ist beispielsweise in der
EP 0 492 693 A2 offenbart. Die Pumpwirkung einer Kreiselpumpe, wie sie Gegenstand des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 ist, beruht darauf, dass eine Flüssigkeit durch einen in der Regel axial bezüglich eines Pumpenrads angeordneten Einlass in einen von einem Gehäuse ausgebildeten Pumpenraum eingebracht wird. Die Flüssigkeit wird dann von dem Pumpenrad, das regelmäßig mit einer Vielzahl von dreidimensional gekrümmt ausgebildeten Schaufeln ausgebildet ist, erfasst und in eine kreisförmige Bewegung beschleunigt. Die dadurch auf die Flüssigkeit einwirkende Zentrifugalkraft beschleunigt diese radial nach außen in einen das Pumpenrad umgebenden Abschnitt des Pumpenraums, von dem dieses durch einen oder mehrere Auslässe abgeführt wird.
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Der Wirkungsgrad derartiger Kreiselpumpen wird maßgeblich von der Dichtwirkung eines Dichtspalts, der zwischen den sich relativ zueinander bewegenden, die Niederdruck- von der Hochdruckseite der Pumpe trennenden Bauteilen der Kreiselpumpe, insbesondere einem Abschnitt des Gehäuses und des Pumpenrads, ausgebildet ist, beeinflusst. Dieser Dichtspalt stellt grundsätzlich eine Verbindung zwischen der Niederdruck- und der Hochdruckseite der Pumpe unter Umgehung des Pumpenrads dar, durch den somit ein Rückfluss von mittels des Pumpenrads auf ein höheres Druckniveau gebrachten Fluids erfolgt. Zur Erzielung eines möglichst hohen Wirkungsgrads, soll dieser Rückfluss so gering wie möglich gehalten werden. Da sich die den Dichtspalt ausbildenden Abschnitte des Pumpenrads und des Gehäuses relativ zu einander bewegen, ist eine Abdichtung des Dichtspalts mittels herkömmlicher Dichtelemente nicht oder nur mit einem erheblichen konstruktiven Aufwand möglich. Ein solcher Aufwand ist für viele Anwendungen, bei denen Kreiselpumpen zum Einsatz kommen, wie beispielsweise auch als Kühlmittelpumpe in einem Kraftfahrzeug, aus Kostengründen nicht umsetzbar. In diesen Fällen wird daher versucht, einen hohen Wirkungsgrad der Kreiselpumpe ausschließlich dadurch zu erreichen, dass der Dichtspalt so schmal wie möglich ausgebildet ist. Dies ist jedoch regelmäßig nur in eingeschränktem Maße möglich, da eine Vielzahl von Toleranzen, sowohl bei der Fertigung des Pumpenrads und des Gehäuses als auch bei der Montage der Kreiselpumpe einen Einfluss auf die Breite des Dichtspalts haben und daher bei der Dimensionierung berücksichtigt werden. In jedem Fall muss nämlich ein großflächiger Kontakt der beiden, den Dichtspalt ausbildenden Flächen des Gehäuses bzw. des Pumpenrads, d. h. ein Null-Dichtspalt, vermieden werden, da durch die dadurch erzeugte Reibung ein erheblicher Wirkungsgradverlust entsteht und zudem der Verschleiß und die Geräuschentwicklung der in Betrieb genommen Kreiselpumpe erhöht wird.
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Im Automobilbau werden derzeit Kreiselpumpen als Kühlmittelpumpen eingesetzt, die einen Wirkungsgrad von lediglich ca. 40% aufweisen. Ein Großteil des Wirkungsgradverlusts ist dabei auf den Rückfluss von bereits in den Pumpenraum geförderter Flüssigkeit zu der Niederdruckseite der Kreiselpumpe zurückzuführen.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Kreiselpumpe anzugeben, bei der insbesondere mit einem geringen konstruktiven Aufwand die Ausbildung eines relativ schmalen Dichtspalts sichergestellt werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche und ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
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Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass bei kostengünstigen Kreiselpumpen, die keine zusätzliche aufwendige Abdichtung des Dichtspaltes aufweisen, das Problem eines zu breiten Dichtspalts insbesondere dadurch entsteht, dass bei der Dimensionierung der den Dichtspalt ausbildenden Bauteile der Kreiselpumpe eine Vielzahl von Toleranzen berücksichtigt werden müssen, wobei gleichzeitig sichergestellt werden muss, dass auch bei einer ungünstigen Summierung der einzelnen Toleranzen ein großflächiger Kontakt der beiden den Dichtspalt definierenden Kontaktflächen (d. h. ein Null-Dichtspalt) nicht gegeben ist. Der Erfindung liegt daher die Idee zugrunde, die einen Einfluss auf die Breite des Dichtspalts habenden Toleranzen zu minimieren. Dabei sollen insbesondere diejenigen Toleranzen eliminiert werden, die bislang regelmäßig die größten (negativen) Auswirkungen auf die Breite des Dichtspalts haben. Hierbei handelt es sich insbesondere um die Toleranzen der Lagerung des Pumpenrads in dem Gehäuse und der Montage des regelmäßig mehrteiligen Gehäuses.
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Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass diejenigen Bauteile, die den Dichtspalt ausbilden, zueinander beweglich sind und über elastische Mittel in Richtung eines möglichst kleinen Dichtspalts vorgespannt sind, wobei ein Anschlag verhindert, dass der Dichtspalt auf Null reduziert wird (um ungewollte Reibungsverluste zu verhindern).
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Eine erfindungsgemäße Kreiselpumpe weist demnach ein Gehäuse mit einem Einlass für ein zu förderndes Fluid und einem drehbar innerhalb eines Pumpenraums des Gehäuses gelagertes Pumpenrad auf, wobei zwischen dem Pumpenrad und dem Gehäuse ein den Einlass und den Pumpenraum miteinander verbindender Dichtspalt gegeben ist, und ist dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die den Dichtspalt ausbildenden Abschnitte des Gehäuses und des Pumpenrads zueinander beweglich sind und zumindest diese Abschnitte durch elastische Mittel in Richtung eines (möglichst) kleinen Dichtspalts beaufschlagt sind, wobei ein Anschlag einen vollflächigen Kontakt der beiden Abschnitte verhindert und dadurch die Breites des Dichtspalts definiert.
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Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Kreiselpumpe kann auf konstruktiv einfache Weise eine Kreiselpumpe hergestellt werden, bei der die Breite des Dichtspalts ohne hohen konstruktiven Aufwand in einem engen Toleranzbereich gehalten werden kann. Durch den dadurch regelmäßig erreichbaren, relativ schmalen Dichtspalt können die Rückflussverluste, die eine erhebliche negative Auswirkung auf den Wirkungsgrad der Kreiselpumpe haben, verringert werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kreiselpumpe kann vorgesehen sein, dass das Gehäuse mehrteilig ausgebildet ist, wobei das Pumpenrad in einem ersten Teil des Gehäuses gelagert ist und der Anschlag in einen zweiten Teil des Gehäuses integriert ist. Diese bevorzugte konstruktive Ausgestaltung kann eine einfache Montage der erfindungsgemäßen Kreiselpumpe ermöglichen.
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Dem gleichen Zweck dient eine weitere bevorzugte Ausführungsform, wonach der Dichtspalt zwischen dem Pumpenrad und dem zweiten Teil des Gehäuses ausgebildet ist.
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Eine bevorzugte Ausführungsform zur Erlangung der erfindungsgemäßen relativen Beweglichkeit zwischen den beiden den Dichtspalt ausbildenden Elementen (bzw. den Abschnitten davon) der Kreiselpumpe kann vorsehen, dass das Pumpenrad axial beweglich auf einer Welle gelagert ist, wobei sich die elastischen Mittel zwischen dem Pumpenrad und der Welle abstützen. Bei den elastischen Mitteln kann es sich vorzugsweise um eine oder mehrere Schraubenfedern handeln. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass die das Pumpenrad tragende Welle in dem Gehäuse in axialer Richtung beweglich gelagert ist, wobei sich die elastischen Mittel zwischen dem Gehäuse und dem Pumpenrad oder der Welle abstützen.
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Alternativ oder auch zusätzlich kann vorgesehen sein, dass das Gehäuse (oder das Pumpenrad) mehrteilig ausgebildet ist, wobei eines dieser Teile mit dem Pumpenrad den Dichtspalt ausbildet, und diese mindestens zwei Teile zueinander beweglich und durch die elastischen Mittel in Richtung eines kleinen Dichtspalts beaufschlagt sind. Beispielsweise kann das Gehäuse einen Dichtring aufweisen, der mit dem Pumpenrad den Dichtspalt ausbildet, wobei sich die elastischen Mittel zwischen dem Dichtring und einem anderen Abschnitt des Gehäuses abstützen. Hierbei kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass die elastischen Mittel als eine oder mehrere Blattfedern ausgebildet sind.
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Erfindungsgemäß kann zudem vorgesehen sein, dass der Anschlag einstellbar ist. Dies kann dazu dienen, die Breite des Dichtspalts an sich ändernde Bedingungen und insbesondere Betriebsbedingungen anzupassen. Eine einstellbare Ausgestaltung des Anschlags kann auf beliebige Art und Weise erfolgen, beispielsweise durch das Einfügen eines Zwischenelements zwischen dem eigentlichen Anschlag und dem Gegenelement (an dem sich der Anschlag abstützt).
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Um einen Reibungsverlust durch den Kontakt des Anschlags mit dem Gegenelement möglichst gering zu halten, kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass zumindest eine der entsprechenden Kontaktfläche möglichst klein und insbesondere punktförmig ausgebildet ist.
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Dem gleichen Zweck dient eine weiterhin bevorzugte Ausgestaltung, wonach der Anschlag, der vorzugsweise als Teil des Gehäuses ausgebildet ist und an dem sich das Pumpenrad abstützt, das Pumpenrad im Bereich dessen Rotationsachse berührt.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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In den Zeichnungen zeigt:
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1 eine Kreiselpumpe in einer konventionellen Bauweise;
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2 eine erfindungsgemäße Kreiselpumpe in einer ersten Ausführungsform; und
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3 eine erfindungsgemäße Kreiselpumpe in einer zweiten Ausführungsform.
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1 zeigt eine Kreiselpumpe gemäß dem Stand der Technik. Die Kreiselpumpe umfasst ein zweiteiliges Gehäuse mit einem Gehäuseoberteil 10 und einem Gehäuseunterteil 12. Die beiden Gehäuseteile sind durch nicht dargestellte Verschraubungen miteinander verbunden. Innerhalb eines von den beiden Gehäuseteilen ausgebildeten Pumpenraums 14 ist ein Pumpenrad 16 angeordnet. Das Pumpenrad 16 umfasst ein konventionell mit dreidimensional gekrümmten Schaufeln ausgebildetes Schaufelrad 18 und eine Welle 20, wobei das Schaufelrad 18 fest mit der Welle 20 verbunden ist. Die Welle 20 ist drehbar in einer hierfür vorgesehenen Bohrung des Gehäuseunterteils 12 gelagert, wobei diese dabei über zwei Federringe 22 in axialer Richtung gesichert ist. Die Welle 20 wird über einen nicht dargestellten beliebige Antrieb, insbesondere einen direkten oder indirekten Antrieb durch Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs oder einen Elektromotor, drehend angetrieben, um Flüssigkeit von einem axial (bezüglich des Pumpenrads 16) ausgerichteten, in dem Gehäuseoberteil 10 ausgebildeten Einlass 24 in den das Pumpenrad 16 radial umgebenden Abschnitt des Pumpenraums 14 zu befördern. Hierbei wird die Flüssigkeit von den einzelnen Schaufeln des Schaufelrads 18 erfasst und in eine Drehbewegung versetzt, wodurch die Flüssigkeit infolge der wirkenden Zentrifugalkräfte radial nach außen beschleunigt und von den Schaufeln des Schaufelrads 18 nach außen geleitet wird. Die dadurch auf ein höheres Druckniveau gebrachte Flüssigkeit wird dann über ein in den Zeichnungen nicht sichtbaren, in dem das Pumpenrad 16 radial umgebenden Abschnitt des Pumpenraums 14 angeordneten Auslass abgeführt.
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Einen wesentlichen Einfluss auf den Wirkungsgrad derartiger Kreiselpumpen besitzt der zwischen dem Pumpenrad 16 und dem Gehäuseoberteil 10 ausgebildete Dichtspalt 26, der den Pumpenraum 14, d. h. die Hochdruckseite der Kreiselpumpe, von dem Einlass 24 d. h. die Niederdruckseite der Kreiselpumpe, unter Umgehung der Schaufeln des Pumpenrads 16 miteinander verbindet. Dieser Dichtspalt 26 sollte möglichst schmal ausgebildet sein, um einen ungewollten Rückfluss der bereits auf ein höheres Druckniveau gebrachten Flüssigkeit von dem Pumpenraum 14 durch den Dichtspalt 26 hindurch in den Einlass 24 zu verhindern. Gleichzeitig soll jedoch ein großflächiger Kontakt zwischen den beiden den Dichtspalt ausbildenden Abschnitten des Pumpenrads 16 einerseits und des Gehäuseoberteil 10 andererseits vermieden werden, da die dabei entstehende Reibung zu einem Wirkungsgradverlust führen und eine Lärmquelle darstellen würde. Die Ausbildung der in der 1 dargestellten, konventionellen Kreiselpumpe mit einem möglichst schmalen Dichtspalt 26 ist jedoch nicht ohne Weiteres möglich, da die Vielzahl von Herstellungs- und Montagetoleranzen bei der Dimensionierung der einzelnen Elemente der Kreiselpumpe berücksichtigen werden müssen. Den größten Einfluss auf die Breite des Dichtspalts 26 haben dabei regelmäßig die Toleranzen der Lagerung des Pumpenrads 16 in dem Gehäuseunterteil 12 sowie der Verschraubung des Gehäuseunterteils 12 mit dem Gehäuseoberteil 10.
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An dieser Stelle setzt die Erfindung an. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Kreiselpumpe kann insbesondere der Einfluss der Toleranzen der Lagerung des Pumpenrads 16 sowie der Verschraubung der beiden Gehäuseteile eliminiert werden. Dies erfolgt durch eine bewegliche, elastisch vorgespannte Lagerung der beiden den Dichtspalt 26 ausbildenden Bauteile der Kreiselpumpe und durch das Vorsehen eines Anschlags, der verhindert, dass die beiden Bauteile infolge der elastischen Vorspannung aneinander gedrückt werden. Der Anschlag definiert somit die Breite des Dichtspalts.
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2 zeigt eine erste Ausführungsform einer solchen erfindungsgemäßen Kreiselpumpe. Bei dieser ist vorgesehen, das Gehäuseoberteil 10 selbst zweiteilig auszubilden und in dieses einen Dichtring 28 zu integrieren, der sich bogenförmig aufweitet. Der Dichtring 28 ist mit seiner oberen Kante möglichst vollständig abdichtend in den Einlass 24, der von dem Gehäuseoberteil 10 ausgebildet wird, integriert. Für eine Abdichtung des zwischen dem Dichtring 28 und der Wand des Einlasses 24 gebildeten Spalts können beliebige statische Dichtelemente, wie beispielsweise ein O-Ring oder eine Spaltdichtung, zum Einsatz kommen. Die durch den Einlass 24 eintretende Flüssigkeit strömt somit durch das Innere des Dichtrings 28. Der wegen eines möglichen Rückflusses von Flüssigkeit von der Hochdruck- auf die Niederdruckseite relevante Dichtspalt 26 wird zwischen dem Dichtring 28 und dem Pumpenrad 16 ausgebildet. Die Breite des Dichtspalts 26 wird von einem Anschlag 30 definiert, der in einen Quersteg 32 integriert ist und über den der Dichtring 28 und das Pumpenrad 16 gegeneinander abgestützt sind. Dabei sorgen insgesamt drei, in gleichmäßiger Teilung über den Umfang des Dichtrings 28 angeordnete, vorgespannte Blattfedern 34 für einen permanenten Kontakt des Anschlags 30 zu der Welle 20 des Pumpenrads 16 und somit für eine gleichbleibende Dichtspaltbreite. Der Quersteg kann auch sternförmig mit mehr als zwei (z. B. drei, vier, fünf, etc.) Stegen ausgebildet, wobei die Stege vorzugsweise in gleichmäßiger Teilung über den Umfang verteilt angeordnet sind.
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Dieser Dichtspalt einer Kreiselpumpe soll aus den genannten Gründen so schmal wie möglich gehalten, jedoch nicht auf Null reduziert werden. Dies ist bei der erfindungsgemäßen Kreiselpumpe gemäß der 2 auf einfache Weise bzw. mit einem geringen Toleranzbereich möglich, da die Breite des Dichtspalts 26 nur noch von einzelnen Abmessungen des Pumpenrads 16 und des Dichtrings 28 beeinflusst wird. Daher können auch nur die herstellungsbedingten Toleranzen dieser Abmessungen die Breite des Dichtspalts 26 beeinflussen. Die die Breite des Dichtspalts 26 bei konventionellen Kreiselpumpen (gemäß 1) maßgeblich negativ beeinflussenden Montagetoleranzen der Lagerung der Welle 20 in dem Gehäuseunterteil 12 und der Verschraubung der beiden Gehäuseteile wird durch die erfindungsgemäße Beweglichkeit und elastische Beaufschlagung der beiden den Dichtspalt 26 ausbildenden Elemente eliminiert.
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Bei der erfindungsgemäßen Kreiselpumpe gemäß der 3 ist abweichend von der Ausführungsform gemäß der 2 vorgesehen, das Pumpenrad 16 in axialer Richtung beweglich (aber drehmomentübertragend, z. B. durch einen beliebigen Formschluss) auf der Welle 20 zu lagern und durch eine (vorgespannte) zylindrische Schraubenfeder 36 in Richtung eines kleinen Dichtspalts elastisch zu beaufschlagen. Dabei wird ein direkter Kontakt zwischen den beiden den Dichtspalt 26 ausbildenden Kontaktflächen des Gehäuseoberteils 10 einerseits und des Pumpenrads 16 andererseits durch einen Anschlag 30 verhindert, der in einen schmalen Quersteg 32 integriert ist, der den Einlass 24 mittig durchquert. Auch bei dieser Ausführungsform können die bei konventionellen Kreiselpumpen einen wesentlichen Einfluss auf die Breite des Dichtspalts 26 habenden Toleranzen der Lagerung der Welle 20 des Pumpenrads 16 in dem Gehäuse und der Verschraubung der beiden Gehäuseteile mit einem lediglich geringen konstruktiven (Zusatz-)Aufwand eliminiert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Gehäuseoberteil
- 12
- Gehäuseunterteil
- 14
- Pumpenraum
- 16
- Pumpenrad
- 18
- Schaufelrad
- 20
- Welle
- 22
- Federring
- 24
- Einlass
- 26
- Dichtspalt
- 28
- Dichtring
- 30
- Anschlag
- 32
- Quersteg
- 34
- Blattfeder
- 36
- Schraubenfeder
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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