专利名称：离心真空泵以及用于产生负压的方法
技术领域：
本发明涉及一种根据独立权利要求的前序部分所述的离心真空泵以及用于产生负压的方法。
背景技术：
用于对机动车辆中的制动助力器 进行供给的电动真空泵通常是叶片泵或是隔膜活塞泵的形式。然而，这些泵的工作原理具有大量缺点叶片泵由于叶片磨损而具有有限的寿命，由于过热的危险而具有有限的连续运行时间，以及特别由于叶片与罩壳之间的大量摩擦而具有较差的效率。隔膜活塞泵的使用寿命比叶片泵的使用寿命长，但同样有限，特别是由于隔膜的脆化。此外，隔膜活塞泵在低温下、尤其是在_40°C以下具有高的功率消耗，具有较大的空间要求，以及由于旋转运动向纵向运动的必要转化而经受摩擦损耗。所有常用的电动真空泵都具有较差的效率，也就是说，在泵的运行时间期间所完成的真空功与所消耗的电功率之比较低。从DE 197 25 335 Al中已知根据权利要求I的前序部分的离心真空泵。在该文献中提出了使用离心真空泵作为用于制动助力器的负压源。该文中描述的离心真空泵包含围绕轴的环形腔；一方面，抽吸管路通入到该环形腔中，另一方面，由弯曲的叶片形成的空气流通道的径向内端与该环形腔相邻。在该环形腔中，待抽吸的空气轴向地且径向地流向轴，从而促进湍流的形成。叶片相对较短并且因此空气流通道相对较短。另外，叶片必须移动经过外壳的固定表面，并且由于它们之间的间隙不能够在不产生摩擦或过多的摩擦的情形下制得无限小，所以泵送的空气能够回流到该位置的较低压区域中。所有这些限制了效率和可获得的压差。
发明内容
本发明的目的是改进离心真空泵的效率和可获得的压差。该目的通过用于产生负压的一般方法、以及通过独立权利要求的特征部分在一般的离心真空泵中得以实现。在本发明的情况下，轴形成抽吸管路的一部分，在抽吸管路中，待抽吸的空气与轴基本同轴地流动，然后在多个孔处偏转到空气流通道。轴向和径向空气流因而以促进流动的方式分离，从而抵消湍流。通过使用轴的内部用于轴向空气供给，对于泵轮的相同外周长，空气流通道能够比上述现有技术更长。由于入口空气的轴向引导，泵送的空气肯定仅仅偏转两次以相对于轴的轴线偏转大约90度，而不是像上述现有技术中那样偏转三次。相对于彼此可动的部件之间的气密性能够简单地利用外壳与轴之间的密封来提供，这种密封由于轴的相对较小的半径而能够容易地且几乎没有摩擦地实现。所有这些都非常显著地改进了离心真空泵的效率和可获得的压差，因此，本发明特别适于作为用于向制动系统供给负压的电驱动真空泵。改进的效率使得能够减少具有内燃发动机或电动机或者具有内燃发动机和电动机两者(像混合动力车辆中那样)的机动车辆的燃料和能量消耗。然而，根据本发明的泵的原理还具有大量的其他应用，用于向设备或机器供给负压或用于空气抽取，这里的术语“空气”不仅包括存在于地球大气中的气体混合物，还包括其他气体或气体的混合物。在优选实施例中，离心泵叶轮是封闭的泵轮；也就是说，除了其径向内端和外端之夕卜，离心泵叶轮的空气流通道是处处封闭的，使得流出的空气不能够沿着空气流通道的长度从任何位置进入或逸出。
在本发明的优选实施例中，与上述现有技术或常规的离心风扇相反(其中，空气流通道在泵叶轮遵循大约弯曲的路径并且其横截面朝外侧变宽)，离心泵叶轮的空气流通道基本呈直线地离开轴径向地延伸，并且沿其长度具有基本相同的横截面。流过这种直通道的空气经历最大的加速，并且由于通道的流动横截面不沿径向方向增大，所以与通道的横截面朝外侧增大的情况相比，在其中输送的空气的速度减小得较少。这两个措施都增大了可获得的压差。能够通过电动机使离心真空泵达到高旋转速度，在高旋转速度下，产生足以向制动助力器供给负压的泵送功率和压差。当在机动车辆中使用时，离心真空泵可以替代性地由内燃发动机或内燃发动机的任何辅助设备来机械地驱动。根据本发明，涡轮机叶轮也可以是集成的径向/轴向涡轮机叶轮的形式。在这种情况下，中空的中心轴向轴连接于集成的径向/轴向涡轮机叶轮的功能性内腔。空气经由中空的轴向轴通过涡轮机叶轮被抽取。当集成的径向/轴向涡轮机叶轮在根据本发明的真空泵中使用时，涡轮机叶轮已使空气流偏转。复杂和高成本的金属片引导元件因此并不是必需的。用于中空轴的冗余密封的唇密封件也被省却。两侧上的轴向空气出口能够被一侧上的空气出口替代。环形空气出口能够省却，并由圆柱形空气出口来替代。
下面参照附图中表示的示例性实施例更详细地阐释本发明，在附图中图I示出了穿过具有中空轴和封闭的径向涡轮机叶轮的离心真空泵的纵截面图；图2a_2c示出了沿图I中的A-A线穿过中空轴、径向涡轮机叶轮和一些相关的引导叶片的径向局部截面图，以及在两个实施例中具有相关的引导叶片的涡轮机叶轮的两个俯视图；图3是具有中空轴、封闭的径向涡轮机叶轮和附加的轴向涡轮机叶轮的离心真空栗的不意图；图4示出了集成的径向/轴向涡轮机叶轮；图5示出了根据本发明的离心泵的替代性设计。
具体实施例方式图I所示的离心真空泵包括基本旋转对称的外壳1，中空轴2沿外壳I的轴线可旋转地安装。中空轴2具有封闭端，该封闭端连接于示意性表示的电动机3的居中布置的转子，其中电动机3轴向紧固在外壳I中或外壳I上，并且中空轴2通过电动机3安装在轴承中。中空轴2通过与电动机3相距一定轴向距离处的深沟球轴承4安装在外壳I中。两个盘形叶片支架5、6 —体地形成在中空轴2上，叶片支架5、6彼此相距一定轴向距离地各自从中空轴2的筒部向外延伸，并且因此在中空轴2由电动机3驱动时与中空轴2—起旋转。
两个叶片支架5、6之间支承有24个叶片7，这些叶片以15度的角度间隔绕中空轴2分布，如图2a所示(在图2a中仅仅绘制了少量的叶片7)，并且因此形成离心泵叶轮。与常规的离心泵叶轮不同，叶片7不是薄叶片，而是当垂直于中空轴2的轴向看时在横截面上呈楔形(如图2a所示)，使得叶片7之间的间隔形成细长的空气流通道8，空气流通道8径向远离中空轴2平直地延伸，并且沿其长度具有相同的横截面，即矩形横截面，例如，如从图2a右边看到的。叶片支架5、6不仅具有支承叶片7的功能，还具有保持形成在叶片7之间的空气流通道8在径向方向上沿其长度处处封闭的功能。叶片7可以例如由金属片折叠并被焊接到叶片支架5、6上。可替代地，由中空轴
2、叶片支架5、6以及实心叶片7形成的轴/泵叶轮单元可以制成一件式，例如由轻合金铸造。中空轴2的筒部包括多个孔9，孔9将中空轴2的内部10连接于环形腔11，环形腔11在叶片7下方在叶片支架5、6之间维持畅通，环形腔11在径向方向上较窄，孔9邻近空气流通道8的径向内端。中空轴2具有开口端，固定的入口连接件12伸入到该开口端中。入口连接件12从中空轴2的开口端穿过外壳I延伸到外部。中空轴2的内部10，通过布置在中空轴2与入口连接件12之间的环形密封填料13以相对于外壳I的剩余部分气密的方式被密封。布置在深沟球轴承4旁边的环形唇密封件14为中空轴2的内部10提供附加密封，唇密封件14的密封唇靠在中空轴2的筒部上，并且唇密封件14的外周牢固地且密封地安置在外壳I中。8个金属片空气引导件15绕由叶片支架5、6和叶片7形成的离心泵叶轮的周部等间距地分布。每个金属片空气引导件15都在外侧紧固于外壳1，并且沿外壳I的轴线延伸比泵叶轮的轴向长度大的一段距离。在泵叶轮与金属片空气引导件15之间存在小的间隙，并且在泵叶轮的轴向端的轴向外侧，金属片空气引导件15沿外壳I的轴线方向延伸一段短距离，如能够从图I中看到的。在金属片空气引导件15的两个轴向端的区域中，外壳I向环境敞开，形成环形空气出口 16和17。环形空气出口 16也可以由简单的圆柱形开口来替代。等效地，在泵叶轮的充分轴向通风的情况下，外壳可以仅仅在一侧通风。金属片空气引导件15可以相对于纵向轴线以螺旋构造布置在外壳I的圆柱形内壁上，使得由泵叶轮输送的空气能够更好地排放到侧部。在这种情况下，相应的螺旋角的方位取决于离心泵叶轮的旋转方向。图2b示出了泵叶轮(5、6、7)在两侧轴向通风的实施例，如在图I中由环形空气出口 16和17所表示的。在这种情况下，金属片空气引导件15相对于离心泵叶轮的中央平面对称地布置。如果外壳仅仅在一侧具有空气出口，那么泵叶轮在一侧轴向通风。金属片空气引导件然后沿其全部长度朝通风侧对齐，如图2c所示。如果电动机3、轴2、因此还有离心泵叶轮(其由叶片支架5、6和叶片7形成并与中空轴2形成单元)沿图2a中标出的箭头方向旋转，则连续的空气流沿图I和2中示意性绘制的流动箭头逐渐积聚。具体地，空气(例如，待从真空制动助力器抽取的空气)经由入口连接件12流入轴2的内部10，并从该处穿过孔9流入空气流通道8，在该处被加速并因而被排到外部。在空气已经离开空气流通道8之后，其沿两个轴向方向抵靠外壳I的内侧被偏转，并沿着金属片空气引导件15流动，并且穿过环形空气出口 16和17流出外壳I (见图2b)。
然而，在具有充分的通风的情况下，沿径向离开离心叶轮的空气也可以仅仅在一个轴向方向上偏转并通过外壳的一侧上的空气出口 16、17通风。然后，在仅仅一个轴向方向上的偏转通过仅朝通风侧定向的金属片引导件15实现(见图2c)。从离心泵叶轮排出的空气，通过中空轴2和入口连接件12产生随后的空气流动。在空气流通道8中的位于图2a的底部的一个的出口处，由于离心力而沿径向方向离开的空气的流动速度由箭头18表示。由于离心作用期间出现的科里奥利力(Coriolisforce)而与泵叶轮的周部相切地离开空气流通道8的空气的流动速度由箭头19表示。两个流动速度18和19的向量叠加产生由箭头20表示的倾斜的绝对流出方向。在图2a中能够看到，金属片空气引导件15大约平行于流出方向20延伸，由此，空气的流出被均质化并改善。流出方向20主要由离心泵叶轮的入口半径和出口半径确定，并能够通过计算来确定。金属片空气引导件可以附加地相对于外壳外周倾斜地布置，使得由离心泵叶轮输送的空气能够更好地排到侧部。金属片空气引导件的倾斜布置的方位由旋转方向确定。图2a中的底部的流动箭头表示绝对空气流动，亦即，与外壳I相关的流动，而图2a的右边的流动箭头示出了相对空气流动，亦即，与沿箭头方向旋转的泵叶轮相关的流动。能够看到，叶片7的相对于泵叶轮旋转方向的正面在径向方向上比叶片7的相对于泵叶轮旋转方向的背面短这一事实，有助于空气从空气流通道8流出。由于横截面为楔形的叶片7的背面超出泵叶轮的剩余外周伸出一段短距离，所以每个叶片形成使离开前一个空气流通道8的空气偏转离开泵叶轮的扰流器21，从而使得来自下一个空气流通道8的空气也能够无阻地离开。所描述的离心真空泵显示出比叶片泵或隔膜活塞泵显著低的摩擦损失。除了深沟球轴承4、密封填料13和唇密封件14处的损失之外，不存在摩擦损失。不会出现在叶片与叶片泵的罩壳之间出现的大的摩擦损失。由于封闭的离心泵叶轮5、6、7，不存在间隙损失。特别的特征在于，经由中空轴2的入口流直接到达封闭的离心泵叶轮5、6、7，并且从入口到出口连续地远离环境密封。真空泵是坚固耐用的，并且不由于过热的危险而具有运行时间限制。真空泵的设计原理是简单和节省成本的。因此，当用于在机动车辆中供给负压时，与经常使用的叶片泵和隔膜活塞泵相比，成本显著地低，并且例如允许用于无刷电动机3的附加支出，借此，使用寿命也不受限制，正如叶片泵或隔膜活塞泵的情况。已经描述的离心真空泵的抽吸功率可以通过附加的轴向涡轮机叶轮来增大，如图3示意性所示。与图I和图2的示例性实施例相似,中空轴32安装在外壳31中，由电动机33驱动，并且与离心泵叶轮34形成单元。在离心泵叶轮34的与电动机33相反的一侧上(该离心泵叶轮34为径向涡轮机叶轮)，中空轴32支承轴向涡轮机叶轮35，涡轮机叶轮35抽吸由离心泵叶轮34泵送的空气并将其输送到外壳31外，如流动箭头所示。图4示出了集成的径向/轴向涡轮机叶轮36的另一个实施例。中空的中央轴向轴10连接于集成的径向/轴向涡轮机叶轮36的功能性内腔。空气经由中空轴向轴10被涡轮机叶轮36抽取。图5示出了根据本发明的离心泵的替代性设计。在这种情况下，空气通过集成的径向/轴向涡轮机叶轮36以促进流动的方式 被偏转。这里，复杂和高成本的金属片引导件15不是必需的。用于中空轴的冗余密封的唇密封件14也被省却。两侧上的轴向空气出口被一侧上的空气出口替代。省却了复杂和高成本的右手侧空气出口 17。环形空气出口 16由简单的圆柱形空气出口 16a来替代。
权利要求
1.一种离心真空泵，包括外壳(I)和离心泵叶轮(5、6、7)，所述离心泵叶轮(5、6、7)通过轴(2)可旋转地安装在所述外壳内并且具有多个大约径向设置的空气流通道(8)，所述空气流通道(8)在其径向内端流动地连接于伸入到所述外壳中的抽吸管路(12)，并且在其径向外端流通地连接于伸出所述外壳的至少一个空气出口(16、17)， 其中，所述轴是中空轴(2)，多个孔(9)形成在所述中空轴(2)的筒体中，所述中空轴的内部(10)经由所述多个孔(9)流通地连接于所述空气流通道(8)，并且其中所述抽吸管路(12)流通地连接于所述中空轴的内部。
2.根据权利要求I所述的离心真空泵，其中 所述真空泵用作机动车辆中的制动助力器的负压源。
3.根据权利要求I或2所述的离心真空泵，其中 与所述中空轴(2)机械连接的电动机(3)或内燃发动机用作所述离心真空泵的驱动件。
4.根据权利要求中任一项所述的离心真空泵，其中 所述离心泵叶轮的所述空气流通道(8)沿其长度处处封闭。
5.根据权利要求中任一项所述的离心真空泵，其中 所述离心泵叶轮的所述空气流通道(8)基本呈直线地离开所述中空轴(2)径向延伸。
6.根据权利要求中任一项所述的离心真空泵，其中 所述离心泵叶轮的所述空气流通道(8)沿其长度具有基本相同的横截面。
7.根据权利要求6所述的离心真空泵，其中 所述离心泵叶轮的所述空气流通道(8)沿其长度具有基本矩形的横截面，并且设置在所述离心泵叶轮的具有楔形横截面的叶片(7)之间，所述叶片的相对于所述离心泵叶轮的旋转方向的正面比所述叶片的相对于所述离心泵叶轮的旋转方向的背面短。
8.根据权利要求中任一项所述的离心真空泵，其中 绕所述离心泵叶轮的周部分布有多个固定的金属片空气引导件(15)，所述金属片空气引导件(15)大约平行于空气离开所述空气流通道(8)的流动方向布置。
9.根据权利要求8所述的离心真空泵，其中 所述金属片空气引导件(15)附加地倾斜定位在所述外壳的周部上。
10.根据权利要求中任一项所述的离心真空泵，其中 所述中空轴(32)附加地支承轴向涡轮机叶轮(35)，所述轴向涡轮机叶轮(35)适于抽吸离开所述离心泵叶轮(34)的空气并将其输送到所述外壳(31)夕卜。
11.根据权利要求I至7中任一项所述的离心真空泵，其中 所述涡轮机叶轮是集成的径向/轴向涡轮机叶轮(36)的形式。
12.—种通过泵叶轮(5、6、7)产生负压的方法， 所述泵叶轮(5、6、7)通过轴(2)可旋转地安装在外壳(I)内并且具有多个大约径向设置的空气流通道(8)，所述空气流通道(8)通过离心力将空气从其径向内端输送到其径向外端， 其中，允许待抽吸的空气从所述轴(2)中的轴向腔(10)通过所述轴中的多个孔(9)流入所述空气流通道(8)。
全文摘要
本发明涉及一种离心真空泵，其包括外壳(1)和离心泵叶轮(5、6、7)，所述离心泵叶轮(5、6、7)通过轴(2)可旋转地安装在所述外壳内并且具有多个大约径向设置的空气流通道，空气流通道在其径向内端流通地连接于伸入到所述外壳中的抽吸管路(12)，并且在其径向外端流通地连接于伸出所述外壳的至少一个空气出口(16、17)。根据本发明，所述轴是中空轴(2)，多个孔(9)形成在所述中空轴(2)的筒体中，所述中空轴的内部(10)经由所述多个孔(9)流通地连接于空气流通道(8)，抽吸管路(12)流通地连接于所述中空轴的内部。本发明还涉及一种产生负压的方法。
文档编号F04D17/10GK102628446SQ201210022549
公开日2012年8月8日 申请日期2012年2月1日 优先权日2011年2月2日
发明者赖纳·施密德 申请人:福特环球技术公司