发动机冷却液系统流速的热控制

摘要

一种具有可恒温调节的旋流叶片的叶轮泵，用作机动车发动器驱动的冷却液泵。液流变化通过改变旋流叶片的朝向而进行控制。朝向的变化受到热驱动器(例如探测冷却液温度的蜡型恒温装置)的作用。旋流叶片在冷却液是热的时增大流速，并且当冷却液是冷的时降低流速。旋流叶片被安装为枢轴旋转，并且刚好位于泵叶轮的上游。传统的发动机恒温功能设在泵腔内，因为旋流叶片能被操作来关闭一个通向发动机散热器的口。该热驱动器随着冷却液从“冷”到“热”打开散热器口；随着冷却液从“温”到“热”，该热驱动器操纵旋流叶片从流速减小到流速增大。

说明书

技术领域

本发明涉及尤其用于机动车内燃机的冷却液泵。本发明旨在提供一种根据发动机的需求有效地传递流体特性的冷却液泵。

背景技术

在常规的冷却系统中，冷却液温度可以偏离最佳值数度。而且，冷却液泵可能会从发动机中取出超出需要的能量。该系统必须在最坏的热负载条件下(例如满负载的车辆在热天爬陡坡时)提供足够的冷却并且同时必须不能在另一个极端过度冷却冷却液和发动机。因为要求使冷却系统能在极端热条件下工作的折衷，在半负载条件期间(如同大多时候所遇到的情况)，冷却剂并不是处于其最佳温度，而是偏离数度，从而冷却液泵浪费了大量的能量。

专利出版物EP-0,886,731(1998年12月30日)和US-6,499,963(2002年12月31日)公开了发动机冷却系统，其中环绕回路的冷却液流速根据冷却液的温度而变化。其中公开了，对于冷却液泵由例如电动机驱动时，泵的速度能被保持为恒定，并且能使得流速只是响应于冷却液温度的改变而变化；对于冷却液泵由例如发动机驱动时，能使得流速响应于冷却液温度的改变和发动机速度的改变而变化。

如同所公开的，穿过泵转子的冷却液也穿过一组可动的旋流叶片。通过使旋流叶片的朝向响应于冷却液温度的改变而进行调节，使得冷却液流速响应于冷却液温度的改变而变化。如同所公开的，旋流叶片的朝向作为冷却液温度的函数逐渐地从增大流速的位置变化到抑制流速的位置。

利用可定向的旋流叶片来控制流速的一个好处是设计者可以将系统设计为驱动泵所需的能量(几乎)与流速成比例。其可以与通过其中流速通过例如节流来自泵的流量而进行控制并且其中即使流速很小泵所取出的能量仍然很高的的冷却系统形成对照。其还可以与其中流速通过例如改变泵转子的速度而进行控制并且此时很难操纵泵在很大范围的转子速度下具有合理效率的系统形成对照。

流速根据冷却液温度而进行调整的系统所带来的一个好处是在发动机的运行期间冷却液温度能保持为在相当窄的限度内恒定。现在对于设计者来说，(一旦冷却液已经变热)要将温度在整个发动机速度、负载、环境温度和其它相关操作条件的范围内保持为在+/-2℃内恒定不再是不现实的。(应当说明的是，在常规的汽车冷却系统中，(变热)温度在各种条件的范围内能变化+/-5℃，甚至+/-10℃)。

发动机设计者能利用这种恒定性的优点以使得发动机能更经济地运行；尤其，发动机性能和效率经常高度依赖于机油温度，并且当其在很长的运行期间保持恒定时(因为当冷却液温度保持恒定时其也倾向于保持恒定)，燃料消耗的改善是相当大的。

传统上，机动车发动机已经包括有(机械式)恒温装置，其在结构上基于包含有可扩展蜡的泡，用于通过控制通向散热器的液流来控制冷却液温度。基本上，当冷却液低于某一温度时，恒温装置切断或减小通过散热器的液流，并且当发动机内的冷却液已经变热到高于该温度时只允许完全液流(full flow)。然而，上述专利公开物仅仅涉及了正常运行期间(即冷却液已经变热之后)冷却液流速的热控制。

发明内容

本发明涉及将温控旋流叶片技术与发动机需要对流向散热器的冷却液流进行恒温控制的需求相结合。在上述公开物中，温控旋流叶片单元被布置为作为车辆的与变热恒温装置在结构上分开的部件而提供。如同现在将要描述的，(利用恒温控制的旋流叶片)根据冷却液温度调节冷却液流速的功能以及根据冷却液温度阻挡冷却液穿过散热器的功能可以在一个共用结构中提供。

当冷却液是冷的时阻止液流穿过散热器的结构可被视为包括散热器口和散热器口闭合件。散热器口闭合件借助于散热器口热单元从闭合的或阻塞位置运动至打开位置，该散热器口热单元被布置为使得当冷却液是冷的时闭合散热器口，并且当冷却液已经变热至运行温度时打开散热器口。传统地，这个功能由传统的蜡型恒温结构来执行，但是已经布置的其它结构具有同样的功能。

将散热器口闭合件和旋流叶片都容纳在泵腔内所带来的好处是，非常适于执行那些功能之一的相同结构也非常适于执行另一个功能。包含泵腔的泵壳体是旨在当冷却液进入叶轮时控制和调节液流的流速并且控制和调节液流方向的结构。泵壳体被设计为这么做。从该相同结构能非同寻常地和在经济上适于并且还可用于用作导向和控制穿过散热器的冷却液流速的结构的事实上可以产生经济性。

将散热器口闭合件和旋流叶片都容纳在泵腔内所带来的另一好处是改进了泵的效率。当然，非常可能将泵(即任何泵)设计为效率低下：流动路径限定壁的不规则会导致液流的中断，并且尤其是如果壁被成形为流动的液体必须反复地加速和减速。设计者的目标应当是将流动路径壁设计为使得冷却液平稳和顺利地流动。目的应当是最小化速度变化(也就是横截面面积变化)的次数和突然性。在发动机内(以及在散热器内)，很多流动路径很小且很窄，以最大化热被传递入和传递出冷却液之处的速度。这些很多窄流动路径的总横截面面积相对较大，从而冷却液倾向于相对较慢地流过发动机和散热器。但是，在管道和软管以及流动路径的将冷却液直接传送至泵和从泵传送出的其它部分内，液流被相当地限制在一个通道内，该通道的横截面面积与发动接和散热器内很多流动路径的总面积相比相对较小。因而，其中冷却液回路中冷却液速度最高的区域倾向于是通向进入和离开发动机和散热器的通道，以及尤其是那些通向和离开泵的通道。

因而，尤其在较高冷却液速度的这些区域中，在发动机和散热器外面的管道里，设计者应当尽力避免流动路径横截面面积的突然、较大改变。可以认识到，当散热器口闭合件和旋流叶片都容纳在泵腔内时，这个目标最易于解决。这个并列布置使得流动路径的总阻力最小。当然，有可能，即使散热器口闭合件和旋流叶片都容纳在泵腔内，泵腔也包含有破坏和中断穿过泵的平稳液流的横截面面积上的突然改变；关键是将两个部件都容纳在泵腔内最大化了提供随着冷却液接近和离开叶轮而顺利平稳变化的机会。

从将散热器口闭合件和旋流叶片都容纳在泵腔内的事实还产生了其它经济性和效率。一个优选的选择是使用一个单独的共同热驱动单元来驱动旋流叶片和散热器口闭合件。另一个优选选择是旋流叶片自身不仅用来控制正常运行期间的流速，而且还用来封闭散热器口。在那种情况下，设计者可以提供两个分离的恒温装置(或等同的热驱动单元)以在温度范围的不同部分上驱动旋流叶片；但是优选地，为了最大的经济性，不仅旋流叶片和散热器口闭合件作为一个机械上一体的结构提供，而是该结构整个范围的运动都由一个机械上一体的热驱动单元来驱动。

附图说明

现在将参考附图进一步描述本发明，其中：

图1是应用于机动车的冷却液泵的截面平视图，该截面在旋流叶片的水平面处截取，其中示出了用于将冷却液从散热器以及从车辆的发动机/加热器传送入泵的进口。

图2是相同的泵在叶轮转子的水平面处的截面图，其中示出了用于将来自泵的冷却液传送返回发动机的出口。

图3是相同泵在恒温装置致动器的水平面处的截面图。

图4a示出旋流叶片处于完全闭合位置时泵的视图。

图4b示出了被定向至几乎完全闭合位置的旋流叶片。

图4c、4d、4e示出了处于逐渐打开程度的旋流叶片。

图4f示出了被定向至几乎完全打开位置的旋流叶片；

图5a是另一冷却液泵的截面图；

图5b是与图5a相同的截面，只是示出了处于不同条件的泵；

图5c是与图5a相同的截面，只是示出了处于另一不同条件的泵。

图6是示出一种典型冷却液循环系统的部分组成的结构图。

图7是图1所示冷却液泵的横截面视图。

图8a是另一具有双叶轮的泵的与图7相似的视图的一部分；

图8b是与图8a相同的视图，只是示出了不同的条件。

图9是另一冷却液泵的截面图。

图10是图9所示泵的局部剖视图。

图11a是示出冷却液泵运行情况的视图，与图9所示类似；

图11b是与图11a相同的视图，除了泵处于不同的运行情况之外；

图11c是与图11a相同的视图，除了泵处于另一不同的运行情况之外。

图12是示出适用于本发明的恒温装置运行模式的图表。

具体实施方式

附图所示和以下所描述的装置是将本发明具体化的例子。应当说明的是，本发明的范围并不是必须由示例性实施例的具体特征所限定。

在图1所示冷却液循环泵机构230中，旋转的叶片环232承载有一组旋流叶片234。在这个泵中，冷却液从两个源，即散热器口237和发动机/加热器旁路口238，进入叶轮236。来自口237、238的液流在进入叶轮236的叶片之前穿过旋流叶片234。

旋流叶片234由叶片环232所作用。叶片环232是可旋转的，其朝向在恒温装置235的控制之下。(在可选实施例中，也可以使用其它类型的热控致动器代替恒温装置235。)

传动销239将恒温装置235的杆与叶片环232相连。当杆运动时，传动销239使得叶片环232旋转，其旋转运动响应于杆的运动并与其一致。旋流叶片234承载在安装于泵的壳体内的各个枢轴上，从而叶片环232的旋转导致旋流叶片的角度或朝向发生改变。

图4a示出了处于“冷”(COLD)位置的泵230的组成，就是当通过加热器238进入泵的冷却液是冷却的时(即还没有变热)所采取的位置。在这个“冷”位置，冷却液不能从散热器口237进入叶轮，因为旋流叶片234处于闭合位置的朝向。叶片闭合时可能不可避免地有一些穿过叶片的轻微泄漏；然而，可以认为到，在大多数应用中能容许所导致的轻微散热器液流。

图4d示出了处于“温”(WARM)朝向的旋流叶片。这里，旋流叶片被稍微打开。通过穿过散热器，冷却液已经充分地变热以致于冷却液需要冷却，但是冷却液处于这个温一热范围的下限。现在，冷却液流速必须比冷却液升高到其(允许)温度范围上限时的流速低很多。旋流叶片反映了这个要求，因为旋流叶片被定向为在图4d中提供比图4e和4f中少的流量增大(即提供流量减小)。另一方面，在图4d(“温”)中，流速在任何地方都不接近于零，而在图4a(“冷”)中，流速却接近于零。

现在将注意力转向上述出版物以详细描述当旋流叶片将液流导向为与叶轮旋转方向反向地旋流时旋流叶片增大通过泵的流速的方式；当旋流叶片将液流导向为与叶轮旋转方向同向地旋流时，流速降低。作用是逐渐的：即随着冷却液从“温”至“热”，并且随着旋流叶片从其最大同向朝向移动至最大反向朝向，通过叶轮的流速大致线性地增大，从最大液流减小与叶片朝向程度变化成比例地变化到最大液流增大。图4a示出了处于“冷”、完全闭合位置的旋流叶片，这是本发明的一个实施例，当然在所述出版物中没有描述。图4a-4e示出了逐渐地从完全闭合位置(图4a)，通过其中旋流叶片顺着叶轮的旋转方向被偏置的“温”位置(图4d)，打开至其中旋流叶片逆着叶轮的旋转方向偏置的“热”位置(图4f)的旋流叶片。

应当说明的是，在某些“冷”气候条件下，传统的恒温装置根本就很少打开，即冷却液几乎不会变热到冷却液刚刚开始穿过散热器的温度以上。处于那种情况下的发动机被过度冷却，其结果是不良的燃料消耗，增多的排放物，并且还可能由于非优化的油温降低发动机部件的寿命。当然，这些权衡都给设计者施加压力，其必须将系统设计为很多折衷，以适应其它气候条件。可以认识到，取消常规恒温装置，即如上所述将恒温功能结合入旋流叶片，使得设计者很容易地减轻传统的折衷，并且因而将冷却液布置为在很宽的其后范围内实现其最佳运行温度。

图5a、5b、5c示出了一种修改的布置，其只具有一个旋流叶片240。(此处所用的术语“一组”旋流叶片在本例中解读为只是一个旋流叶片)这里，当冷却液是冷却的时，旋流叶片240阻塞来自散热器口的冷却液达到叶轮。当冷却液变热时(图5b)，冷却液从两个口均能进入叶轮。

在一些冷却系统中，设计者将其布置为完全阻塞发动机/加热器旁路的进口是合适的，并且如果需要可以这么做(图5c)。从图5a中能注意到，当冷却液是冷却的时，旋流叶片将来自发动机/加热器旁路口的液流导向为逆着叶轮旋转方向，这会增大流速；而来自散热器口(图5b，5c)的液流被导向为与叶轮的旋转方向相同，在那种情况下这会减小流速的增大。

在图5a、5b、5c中，旋流叶片240不是直接被蜡泡型(wax-bulbtype)恒温装置驱动以旋转，而是被电动机/齿轮箱装置241驱动以旋转。该电动机是步进电动机，并且其旋转位置由来自位于冷却液回路中适当点处的温度传感器的信号所控制，其可以与电动机/齿轮箱241机械地分离。应当理解的是，图5a、5b、5c中所用的电动机/齿轮箱装置与其分离的温度传感器一起能用来代替图1所示的机械式恒温装置，反之亦然。恒温装置(其将热传感器和致动器组合在一个机械装置中)并不是为了其功能性而非常复杂和多用途，而是更加经济。也可以使用其它种类的恒温装置，例如双金属类型的装置。

在图1和图5a、5b、5c中，所示结构提供了包括有叶片环232的旋流叶片定向机构和包括有传动销239或电动机/齿轮箱241的阀元件定向机构之间的机械配合。

具有图1所示泵的冷却系统是其中冷却液一直循环通过加热器(图6)的类型。(在其它类型的冷却系统中，运行时液流有时会被转向为绕过加热器。)在图6中，泵P的叶轮例如借助于齿轮传动，或者借助于皮带传动241直接被发动机E所驱动。在图6中，当冷却液变热时，冷却液绕着散热器R循环；当冷却液是冷却的时，冷却液不会绕着散热器R循环，因为泵P中的旋流叶片234处于完全闭合位置，因而关闭了散热器口237。恒温装置235内的温度传感泡被适当地定位为测量从发动机E(和，或经过加热器H)进入的冷却液恰好在进入泵P之前的温度。如图1所示，在加热器口238和泡之间有通路248，从而泡被进入的冷却液所淹没。

应当注意的是，图6的回路中已经取消了机动车发动机通常所具有的分开的恒温装置。

机动车冷却系统的组合有很多不同的构造，并且设计者可通过布置泵的进口/出口以相适应。也就是说：如上所述那样将散热器关闭热控制与旋流叶片热控制相链接可能或者将会需要具有不同发动机系统的不同构造。

在图1中，旋流叶片处于其“热”位置——冷却液已经变热——从而冷却液从加热器口238和散热器口237进入冷却液循环泵230。口237和238的开口被布置为使得从加热器口238进入泵的冷却液直接进入叶轮，而来自散热器口237的冷却液穿过旋流叶片234。

当穿过泵230的冷却液是冷却的时，即还没有变热，希望散热器与循环的冷却液相隔离。这在图4a中示出，其中来自散热器的液流被阻塞，因为旋流叶片234的朝向被定向在阻塞来自散热器口237的液流的位置，即防止来自散热器的冷却液穿过从而达到叶轮236。旋流叶片已经被在图4a中处于完全收回的“冷”位置的恒温装置235驱动至这个位置。因而，当冷却液是冷却的时，穿过泵并且进入发动机的冷却液只包括经由加热器刚刚来自发动机的冷却液；来自散热器的冷却液不能进入泵，并且不能进入发动机，因为叶片234被关闭。

随着只是绕着发动机(和加热器)循环的冷却液变热，因此恒温装置235的泡膨胀，其在逆时针方向上驱动叶片环232，导致叶片234打开。现在，来自散热器的冷却液能穿过从而达到叶轮236。

此后，一旦冷却液已经变热，冷却液的温度根据驱动条件、车辆负载、周围温度等而变化；随着冷却液变得更热，或者变得不热，旋流叶片根据冷却液温度以上述出版物所述的方式改变朝向。再次，设计者应当将其布置为：一旦冷却液达到正常运行温度，旋流叶片234在冷却液最热时所采用的角度最大程度地增大流速，而叶片在冷却液处于其正常运行温度范围的较冷端时所采用的角度最大程度地降低(或者可以表述最小程度地增大)正常运行流速。通常，在通常的泵速和运行条件下，最小的正常运行流速可以是最大正常运行流速一半的等级。在图1中，叶轮136在逆时针方向上旋转，从而实现上述方式的运行。

现在注意力转向由于将热驱动的散热器口闭合件从其传统的分开的恒温装置壳体移动入泵腔，并且通过将散热器口闭合件与旋流叶片组合起来所带来的以下问题。机动车冷却系统的设计者所面对的一个问题是由于传统的常规恒温装置所带来的过高流速阻力，即使处于完全打开条件下。理论上，传统恒温装置上高的压降问题可以通过设置通路以避免表征通过恒温装置的流动路径的横截面上的突然变化来解决。但是实践中已经证明了重新设计恒温装置和其壳体从而在不折衷其它方面性能下实现这个迫切要求是很困难的，并且设计者必须照顾到穿过恒温装置(即穿过散热器口闭合件)的较大压降。

然而将散热器口闭合件的功能结合入旋流叶片的结构消除或减小了较大压降的问题。现在，有效地，恒温装置在打开时的流动阻力等于旋流叶片的最大流速增大情形，即如图1所示的情形。现在，当旋流叶片处于最大增大朝向时，与常规恒温装置的较大阻力相比，根本就没有液流阻力。

从图1中能注意到，旋流叶片234(在本例中有13个旋流叶片)不是完全地包围叶轮236。叶轮的一部分圆周仍然是开放的，在加热期间这部分与发动机/散热器进口238(即绕过散热器的液流)相通。因而，即使旋流叶片被完全关闭(图4a)，只是散热器口237被阻塞，而非旁路口238。当冷却液足够地冷却以致散热器被堵塞时，穿过发动机的流速将会非常小，这由液流只是占据叶轮进口圆周的一小部分233的事实所反映。穿过散热器的完全“热”流速将比在“冷”条件下只是穿过发动机/加热器的旁路液流的低流速大许多倍。

旋流叶片在布置为完全或者几乎完全包围叶轮的进口时最有效。如果一些进入叶轮的液流还没有通过旋流叶片，那么流速就没有相应于旋流叶片(即相应于旋流叶片的与温度无关的朝向)而被完全和彻底地控制。优选地，设计者应当看到，尽可能多变热的冷却液液流穿过旋流叶片。换言之，在从冷却状态变热期间接收来自发动机的进入液流的叶轮圆周的部分233应当最小化。在“热”条件下来自散热器的全部流速优选地应当占泵叶轮进口圆周的百分之八十或九十；并且最小也应当占圆周的约百分之六十。

在一些冷却系统中，可以将旋流叶片布置为占据叶轮进口的整个圆周，并且从流速的热响应控制的观点看是最佳的。然而，可以认识到，小部分的旋流控制损失对于旋流效率的损害是很微弱的。

在某些发动机中，设计者可以选择阻塞通过加热器芯部的液流直到冷却液已经变热。可选地，设计者甚至可以选择阻塞发动机周围的液流直到冷却液已经变热。因为后者针对最快速的加热，必须特别注意探测发动机中冷却液的温度，并且可能还需要探测靠近排气阀的气缸盖中的温度，其可能是最热的区域并且其不可避免地距离冷却液泵一定距离。那么设计者可以倾向于通过电子热传感器进行温度测量，对所得到的数据信号进行分析，并且用于操作例如伺服系统以实际地影响旋流叶片的运动。

在使用常规的蜡泡型恒温泡的地方，该泡优选地应当被来自发动机/加热器旁路回路的冷却液所弄湿，如图1所示。

图7是图1所示泵230的横截面图。泵叶轮236在本例中借助于来自发动机的作用在传动带轮243上的传动带而被驱动。因而，泵的速度与发动机速度成正比例地变化。用发动机驱动冷却液泵虽然是常规且非常普通的技术，但是仍然具有在低的发动机速度时泵输出(即由泵所产生的冷却液流的每分钟升数)可能不足以消除从发动机进入冷却液的所有热；同样的，在高的发动机速度下，流速可能比所需的高很多，这会导致发动机能量的浪费，并且间接地因为冷却系统必须被设计为应付高流速和/或压力。加热器经常具有相对高的流动阻力；因此，当冷却液是冷却的并且散热器没有处于回路中时，需要泵产生较高的压力，这会在低发动机速度时带来另外的问题。

因此设计者面对着一个折衷，因为叶轮必须在低的泵速度下产生足够的流速和压力，并且在较高的泵速度下还不能产生过度的流速和压力。折衷的需求加剧，因为当冷却液是冷却的但是加热器处于回路之中时，尽管流速很低，但是加热器的额外阻力带来了需要在较高压力下产生低流速的需要。一种减轻折衷的方法是给叶轮设置两组叶片，并且将叶轮设计为使得在低速度(即低流速)时可以用两组叶片来泵送冷却液，而在高泵速(即高流速)时一组叶片被绕过。泵叶轮236具有两组叶片，其作用如图8a、8b所示。

叶轮236包括一组初级(混合的轴向和径向液流)叶片244和一组次级(径向)叶片245。当泵驱动速度低并且流速低时，冷却液轴向地经过初级叶片244；被泵送的流体然后改变方向，并且绕过隆起246，并且随后进入次级叶片245的入口，并且随后径向地穿过次级叶片(图8a)，产生所需的较高压力。

另一方面，当叶轮速度很高时，来自初级叶片244的液流具有如此的轴向速度动量以致于冷却液倾向于绕过次级叶片245(图18b)的入口。因而，次级叶片就会缺少液体。

次级叶片245是径向的，由此叶片245的入口和出口之间的压力差由离心力形成，并且可以相当大。因此，假设隆起246附近的液体缓慢移动，液体被相当强烈地拉入和穿过次级叶片245。可以认识到，隆起246周围的液流路线或通路能被设计为非常曲折以使得如所述那样在较高速度下只是较小比例的从初级叶片244出来的轴向液流到达次级叶片245。

因此，在低的泵速度下，高比例的液流都经过初级叶片244和次级叶片245，而在高的泵速度下，只是非常低比例的液流都经过初级叶片244和次级叶片245，因为在高的泵速度下，绝大多数液流直接流入出口螺旋腔247，而不经过次级叶片。

其效果是增大了低速度下克服相对较高的加热器回路阻力的能力，因为随后绝大多数液流经过两组叶片；而在较高速度下绝大多数液流绕过次级叶片。

图9示出了叶片定向机构与散热器口闭合机构机械地配合的另一结构。图10示出了相同结构的局部横截面示意图。

在图9中，来自机动车散热器的冷却液经过散热器口256进入泵腔254。滑动件257位于腔中。当冷却液是热的时，滑动件257朝向最右端，如图9中下半部所示。

滑动件257的开式内部管道258具有径向向外面对的开口259。当滑动件257朝向右时开口259与散热器口256相连接。冷却液从散热器进入泵腔254，并且传送到泵叶轮260。当冷却液是冷却的(图9上半部)时散热器口256被阻塞，当冷却液已经变热(图9下半部)时其被打开。

在达到泵叶轮260的叶片之前，来自散热器口256的冷却液穿过旋流叶片262。旋流叶片262给流动的冷却液施加偏压，使冷却液进行旋转式的旋流运动。根据旋流叶片的朝向，这个旋流运动可与叶轮的旋转处于相同的旋转方向或者相反的旋转方向。再次，当旋流叶片被朝向为逆着叶轮的旋转时，增大通过叶片的体积流速和压力，而当旋流叶片被朝向为顺着叶轮的旋转时，降低流速和压力。旋流叶片可逐渐地从最大液流增大朝向定向至最大液流减小(最小液流增大)朝向。

旋流叶片262安装在包括有笼的叶片安装结构中，该笼包括内圈264和外圈265。两个圈被固定在一起，以便形成笼。两个圈限定了环形通路267。旋流叶片径向地在两个圈264、265之间越过环形通路267。

圈264、265承载相应的枢轴承268、269，旋流叶片262可旋转地安装在其中。旋流叶片262的枢轴销270具有延伸部分272，其延伸过外圈265中的轴承269，并且杠杆臂273承载在延伸部分272上。通过移动杠杆臂273来调节旋流叶片262的朝向。

笼263被承载在固定腔254内。一栓钉(未示出)与腔的台肩274中的插孔相啮合，以限制笼263在腔内的旋转。

一弹簧(未示出)用来向左推动旋流叶片262的杠杆臂273。注意到泵叶轮260的旋转方向，设计者将该装置布置为使得杠杆臂273越向左(在图9中)，越多的旋流叶片262被朝向为液流减小条件。随着杠杆臂273被向右移动，旋流叶片262变得更加朝向液流增大条件。杠杆臂和滑动件几何形状能被设计为适合旋流偏置与滑动件运动的具体所需关系。

泵腔254内部是恒温装置275。该装置275本身是常规的并且包括有在加热时会膨胀的泡，以将杆276驱动出恒温装置壳体278。该壳体压配合在滑动件257内部。(再次，可以理解的是，也可以提供常规的蜡型恒温装置之外的热控运动致动器，例如结合至热传感器的线性电力致动器，用于移动滑动件)。

随着杆276运动出壳体278，由于流过壳体278的冷却液温度升高，壳体和其所连接至的滑动件257向右移动。滑动件257的鼻部279与杠杆臂273相啮合，从而滑动件在左右方向上的热诱导运动使杠杆臂273运动，引起旋流叶片朝向的变化。

图9设计中可结合有空动预防措施。设计者可以在鼻部279和杠杆臂273之间设置缝隙281。缝隙281越大，空动就越大，因为冷却液在杠杆臂273运动之前变热。空动预防措施能与散热器口256打开时的点相一致。

基于图9的设计能高度地适用于机动车。泵装置构造成机械地紧凑的装置，其能被设计为基于简单的螺栓紧固而连接至发动机组。该装置是独立的，因为对于绝大多数功能来说，其能在发动机关闭时进行装配和测试。在一个可选设计中，泵装置容纳在发动机组内，而不是在分开的螺栓紧圆的壳体内。

特别需要注意的是，滑动件257和笼263都容纳在泵腔254的平滑穿孔的内部里。因此，为了维修，在移除端盖277之上，滑动件和笼都能容易地滑出腔，并且这可以在不移除装置以及不干扰软管连接的情况下进行。如上所述，笼263被固定以防止相对于腔的旋转，并且即使滑动件257倾向于旋转也无关紧要。

这些部件的其它布置可以设计为：例如，笼可以布置为随着滑动件滑动，因此可导致杠杆臂通过与台肩274相接触而被旋转。恒温装置可连接至端盖，而不是滑动件；然而，设计者应当倾向于一种其中恒温装置的温度传感部分实际上浸没在流动的冷却液中的布置。

如针对图1所示实施例所述那样，希望热定向的旋流叶片尽可能地影响进入叶轮进口的液流。在那种情况下，进口圆周的一小(很微小的)部分不受旋流叶片的控制，以使得旋流叶片能用作在冷却液已经从冷却状态变热之前阻塞散热器口的手段。在图9中，如所述，旋流叶片没有用作阻塞散热器口的手段，并且因此旋流叶片能占据进入叶轮叶片的进口的整个横截面面积。

在图9、10的实施例中，应当注意的是，如同前述实施例，旋流叶片并列地靠近散热器口以及相关的散热器口闭合件。这样就有利于紧凑经济的装配。并列布置还意味着，冷却液流在进入和穿过叶轮时能非常接近于理想的冷却液横截面平滑渐进减小，从而所得到的速度变化也是平滑渐进的，并且最小化了由于液流中断所导致的损失。

将图1所示实施例和图9、10所示实施例相比，在两种情况下旋流叶片都绕着与叶轮旋转轴同心的节圆均匀地分布。在后一个实施例中，旋流叶片在冷却液朝着叶轮进口径向移动之处与叶轮径向同轴地布置，并且旋流叶片枢轴位于与叶轮轴呈径向的轴上。在前一个实施例中，旋流叶片在冷却液径向向内移动入叶轮进口之处绕着叶轮布置，并且叶片枢轴位于与叶轮轴平行的轴线上。后一个实施例将进入的冷却液布置为被视为绕着进口呈平螺旋线，而前一个实施例将进入的冷却液布置为被视为与叶轮同轴的圆柱形管形。设计者可以根据可用空间选择实施例：如果在轴向上有着比径向上更多的用于液流控制装置突出的空间，后一个实施例是优选的；如果轴向空间更紧缺，前者将是优选的。

现在参考图11a、11b、11c描述调节循环回路中冷却液流的方式的另一例子。

当冷却液是冷却的时，在传统的机动车冷却液循环系统中，恒温装置已经阻止了冷却液穿过散热器。当冷却液接近其正常运行温度时，恒温装置打开，随后只是允许流过散热器。然而，在传统的机动车系统中，冷却液尽管被闭合的恒温装置与散热器隔断，但是仍然流动穿过过加热器回路。

在传统的加热器回路中，绕着发动机行进的冷却液流全部或部分地也绕着加热器回路行进。一些加热器回路包括有人工操作阀，其关闭穿过加热器的液流，有效地将更大比例的冷却液流转向为流动穿过过发动机旁路或者散热器回路——即不穿过加热器——从而控制加热器的热输出量。

经常，当车辆在寒冷天气中从冷却状态启动时，驾驶员将加热器控制为转向完全加热。如果这样，相当部分的冷却液在绕着发动机流动的同时也流过加热器，并且这能延迟冷却液在发动机内的变热。延迟的变热不是优选的，不仅是对于加热器，而且尤其从发动机磨损的观点看也是如此。如果加热器保持在回路之外直到冷却液至少部分地变热，那么变热时间可以提高。驾驶员无论如何从加热器中不能获得任何好处，直到冷却液已经变热。

在传统的系统中，在冷却液非常冷时隔断通向加热器的液流似乎需要分开的恒温装置，因为液流获准通向加热器的温度与液流获准通向散热器的温度不同。

当散热器恒温装置，即用于打开/关闭散热器口的机构，如这里所述的，与用于改变旋流叶片朝向的机构相一致时，可以认为，将该机构布置为也打开/关闭加热器口几乎不会带来其它困难，并且在所需的不同温度时这么做。

图11a、11b、11c示出了这是如何完成的。来自加热器的冷却液通过加热器口283进入，来自散热器的冷却液通过散热器口284进入。冷却液沿着管道285在滑动件286中被传送至朝向右边的旋流叶片，如图9所示。滑动件286响应于温敏致动器(未示出)而移动。

图11a示出当冷却液非常冷时的情形。这里，加热器口283和散热器口284都是闭合的，从而冷却液只是绕着发动机循环。设计者通常将其布置为冷却液能仍然绕着发动机循环，即使穿过加热器回路的液流是闭合的：因此，加热器旁路通道必须具有其自己的进入泵腔的进口，其必须与加热器口283分开，因为加热器口283可以闭合。旁路进口在图11a、11b、11c中没有示出。

随着冷却液从非常冷的状态开始变热，滑动件286向右移动。现在，尽管散热器口284仍然闭合，但是加热器口283打开，并且部分变热的冷却液能绕着加热器循环。

随着冷却液接近变热的运行温度，散热器口284也打开。现在，冷却液能穿过加热器和绕着散热器循环。

如图11c所示，当冷却液处于最热极限时，穿过过加热器口283的液流被隔断，或者几乎被隔断。

无论在非常热的温度下加热器口保持部分打开还是完全闭合，关键是所述机构使设计者可以容易地选择打开/闭合顺序。加热器口和散热器口的重叠或不重叠的准确性质对于装置的成本或复杂性来说没有什么差别，这使设计者能根据希望自由地布置重叠。设计者可能希望将其布置为即使冷却液非常热时液流也能穿过加热器。

在图11a、11b、11c中，滑动件286还为了定向旋流叶片而操作该机构，并且设计者应当保证口的闭合/打开与叶片朝向之间的正确对应和重叠，其将在很宽范围的运行条件下保证发动机的良好效率。但是再次，设计者可以自由地选择加热器口和散热器口的闭合/打开的准确顺序以及它们与旋流叶片朝向的相互关系，即可以在不管所选顺序只要装置的成本或复杂性没有什么差别的意义上自由地选择。

也可以考虑某些下述系统变型。例如，冷却液泵叶轮(转子)可以是离心的(径向的)，或者可以是螺旋桨(轴向的)，或者是混合的。作为另一个例子，设计者可以倾向于为加热器提供一个小的附加泵，而不是让加热器液流穿过主泵。

系统的另一变型与可定向的旋流叶片自身相关。设计者应当看到，旋流叶片在需要时能在长的使用寿命里以可靠无故障的方式重新定向。然而，枢轴连接和滑动接口会导致可靠性问题。在一个可选结构中，旋流叶片弯曲，而不是枢轴转动。也就是说，叶片构造成响应于热信号弯曲而不是枢轴转动。

泵组件的效率作为驱动泵所需的每瓦特动力时泵送液体的体积流速和压力升高的乘积而进行测量。这个效率被限制为在一定程度上随着旋流叶片朝向程度的变化而变化。然而可以认识到，随着旋流叶片被重新定向，泵的效率实际上不会降低得非常厉害。可以认识到，作为旋流叶片重新定向系统的一个特点，对于一种控制穿过旋转泵的液流流速的结构，和其它液流控制结构相比，效率(即每单元压缩流速所需的来自电动机或驱动器的瓦特数)在流速的很大范围上变化相对很小。

还可以认识到，由泵产生的流速(作为每分钟升数进行测量)可在很宽范围的流速下通过控制旋流叶片的朝向进行控制。

相比之下，传统的流速控制系统使泵在不同速度下承受效率的巨大改变。泵将被设计为在特定运行流速下具有良好的效率，但是泵在其它速度下的效率就会非常低。

由于旋流叶片朝向的变化而产生的流速变化能在很宽范围上进行，并且和其它流速控制系统(比如其中通过阻塞件移动来闭合端口的系统)相比在很宽范围上不会有那么明显的效率损失。

在本发明中并不要求只有一个热传感器。当热传感器采取机械式恒温泡装置的形式时，很难调节多个传感器，但是当热传感器提供给供给到发动机数据总线上的电子信号时，适应和调节多个传感器是没什么困难的，如果设计者希望这么做的话。例如，在一些装置中，设计者可能希望有温度传感器，例如泵的吸入口处、发动机内排气阀附近、散热器内、加热器内、泵的出口内等，以及(尤其)在机油内。那么，随着发动机运行条件改变，旋流叶片的朝向可以以更加准确和复杂的方式进行调节，旨在优化发动机的运行温度，以及尽可能快地降低与最佳值的偏差。

来自冷却液温度传感器的总线数据也能被布置来控制散热器风扇，以及控制旋流叶片朝向。例如，设计者可以将该系统设置为使得，如果在穿过散热器时没有很大的温降，风扇可以打开或者加速，并且与旋流叶片的朝向相一致。

如上所述，温度传感器可以是电子的，并且仅仅提供电压，或者仅仅是数字代码，或其它信号，作为其输出。在那种情况下，输出信号可以由车辆的计算机进行处理，并且温度数据供给至车辆的数据总线。那么旋流叶片朝向装置的热控制可以包括有数据总线读出器，以及用于将温度数据转化成机械运动的转换器。

冷却液温度传感器可以是间接的。传感器可以直接测量机油温度，例如。实际上，测量油温有时会产生更高的效率；研究表明控制油温能得到比控制冷却的冷却液温度更大的效率改进——只要两种作用能分开。应当理解的是，一个布置为直接测量机油温度的传感器，为了本发明的目的，仍然是用于测量发动机冷却液温度的传感器。类似地，如果温度传感器被布置为直接测量发动机组的金属的温度，为了本发明的目的，其仍然将是用于测量发动机冷却液温度的传感器。

可选地，设计者可以将被热控的流速布置为油的流速，而非(或者还有)冷却液的流速。关于这一点，应当理解的是，术语“冷却液”在机油绕着发动机循环(即被泵送)并且在发动机的运行期间基本上热传递发生在发动机部件和机油之间的情况下包括机油。

旋流叶片技术的一个有利方面是对于泵叶轮里空隙现象(cavitation)的改进阻力。当实际上与叶轮叶片相接触的流体压力在给定温度下处于蒸汽压力以下时会发生空隙现象，从而在叶轮叶片附近形成蒸汽空泡。空隙现象不仅破坏泵的效率，而且还会导致震动、腐蚀和其它与泵有关的问题。

泵的叶片内的空隙如果发生的话就会导致穿过泵的液体体积流速的明显下降。在机动车冷却系统中，阻止空隙出现是非常重要的。

电驱动的泵对于电子数据处理很有利。该组合使得可以很容易地在发动机的速度范围内以及在发动机的温度和其它运行范围内优化泵的输出(最大流速，或最大效率等，如同环境可能所需要的)。如所述，尽管电动机的速度可以被电气控制(至少仅仅从控制准确度的观点上)，并且因而易于将泵输出制定为符合系统需求，仍然，通过根据温度控制旋流叶片朝向来控制泵输出可能是在成本和性能之间的较好折衷。通过能根据温度(和其它参数)制定旋流叶片朝向和泵速，发动机冷却液温度几乎能在所有条件下被保持为非常接近最佳值。

但是即使当冷却液泵如关于所示实施例所述那样被发动机机械地驱动时，电子地从数据总线获得温度传感器数据能比利用机械式恒温装置给出更快的响应。

当温度传感器数据在数据总线上呈电子信号的形式时，设计者可以借助于计算机控制的步进电动机或伺服电动机将旋流叶片定向，该步进电动机或伺服电动机再次被保持为和趋向于更大电子控制的趋势一致。

当温度信息在数据总线上呈电子信号的形式时，设计者还能将散热器冷却风扇电动机布置为与泵速一致，以实现冷却液系统中更好的整体效率。设计者的总体目标(通常)是保持最佳的发动机温度，同时消耗最少量的能量来使冷却液系统运行。

因而，当旋流叶片偏置的角度由冷却液温度控制时，由于发动机监控变得更加复杂，因此由冷却液泵所产生的体积流速就变得更加可能被真正地优化至热条件。期望效果是发动机温度能被控制在较窄的限度内，以及使得泵取出尽可能少的能量。

当温度传感器信号是电子的时，通常温度传感器结构和使叶片移动的结构之间没有机械连接。而是，该信号控制一个伺服系统，并且正是该伺服系统提供机械驱动来重新定向旋流叶片。

当冷却液泵被电动机驱动时，对于设计者来说电动机以恒定速度运行是有利的。然而，恒定速度不是必要的。在电动机中，趋势是电子地整流换向电动机，而非机械地。电动机速度将处于数据总线上，从而将电动机速度和冷却液温度相关联，以及将旋流叶片朝向和冷却液温度相关联就会变得相对简单了。

在传统的简单类型的机动车恒温装置中，希望恒温装置保持闭合直到接近195°F的温度，但是在该温度之上恒温装置会完全打开。实际上，打开不是在达到设定温度时突然发生的；而是，常规简单的恒温装置可以设置为在例如180°F的温度时开始打开，并且直到约200°F时打开才会完成。

图12是示出恒温装置235的特性的图表，该装置是公知为双拐点恒温装置。这里，y轴表示对于x轴上所划分的不同温度，恒温泡的杆的延伸。杆在约210°F时开始运动，并且随后以相当高的速率运动，从而杆在220度时已经延伸了0.14英寸。此后，杆以每升高十度运动约0.01英寸的非常低的速率运动，从而在接下来的26度，即直到235°F，杆仅仅又运动了0.05英寸。在235°F以上，杆以每升高十度运动0.1英寸的相对较高的速率运动。

可以认识到，双拐点恒温泡单元尤其适于这里所述的通常由发动机散热器恒温阀所执行的功能由旋流叶片所执行的实施例。杆的最初运动相对突然地发生，并且杆的运动足够大以致于能容易地用来将旋流叶片从闭合位置运动至最小液流增大位置。此后，冷却液温度变化一度时旋流叶片朝向的变化非常小，从而旋流叶片在最小液流增大朝向时大致保持不动，直到温度达到约235°F。在该温度之上，旋流叶片开始以较快的速率改变朝向，直到在约245°F时出现的最大液流增大位置。

具有这种双拐点恒温装置，设计者能根据需要将变化点设定在特定温度以适应特定发动机的特性。双拐点恒温装置不仅提供了在不同温度范围内杆运动的不同速率(即速率，测量单位为毫米/度)，而且还给设计者提供了设定速率变化的温度点的灵活性以适应特定情况。最初，在图12中，旋流叶片只是随着冷却液达到变热温度从闭合快速地运动至半打开。将杆运动的速率(即每摄氏度运动的毫米数)制定为大致就是所需要的，即首先快速地少量打开(只是随着冷却液从冷却变热而打开散热口)；然后降低速率(以使得旋流叶片随着冷却液从刚刚变热至很热而大致不变)；然后再次快速，不过没有最初的那么快，以影响旋流叶片的运动，从而随着冷却液从很热变得非常热带来大的液流增大。

因而，双拐点机械式恒温装置(其本身已知)在用于所述种类的冷却液泵时具有相当的益处，其中只是一个恒温装置的杆运动用于影响散热器口闭合件的关闭/打开运动和影响可变旋流叶片的渐进液流控制和液流增大运动。

类似地，在温度探测是用电子传感器进行并且散热器口闭合件和旋流叶片的运动是通过例如计算机控制的步进电动机进行的装置中，设计者在那种情况下保证该组成的运动以最有效的方式进行调节也是很简单的事情。

在完全负载的特定车辆在热天上山的情况中，冷却液流速可能需要例如100升/分钟。另一方面，同一车辆在冷天下山需要的流速可能小于该流速的1/10。可以预期，在此所述的热致动旋流叶片在设计正确时能实现这种差别中的至少绝大多数。然而，当旋流叶片通过还结合打开/关闭散热器口的功能而折衷时，可以预期，虽然不能实现如此大的流速差别，但是从更少组成中所得到的成本节省使得这种组合动作的旋流叶片很值得。

理想地，此处所述的旋流叶片的热致动从概念上来说至少能提供在所有运行条件下有效地保持发动机温度最佳的冷却液流速，并且通过刚好提供所需的流速而没有折衷或浪费过度的流速和压力从而做到这样。将热致动的散热器口闭合件与热致动的旋流叶片相结合是一个折衷，其有时会使得这个理想比两个热致动器分开并且独立时更难以实现；但是在另一方面，与使用两个独立的热致动器相比，两者使用一个共用热致动器能实现相当的成本节省。

换言之，提供热致动的旋流叶片来调节冷却液流实现对于车辆冷却系统整体而言的很大经济性。与其中散热器口借助于其自身的独立恒温装置而打开/关闭的系统相比尤其如此。但是组合热致动器是直接的成本节省，其同时实现了那些整体经济性中的至少一部分。

在本说明书中，已经强调了旋流叶片和散热器口闭合件位于泵腔内。现在对术语“位于泵腔内”进行说明。泵腔是容纳叶轮并且限制穿过叶轮的液流的结构，并且是从叶轮向上游(和向下游)延伸足够距离的结构，该距离足以使泵腔内的液流具有由叶轮所引起速度的旋转分量。也就是说：泵腔外面或之上的液流没有或者基本上没有由叶轮所引起速度的旋转分量。

(如上所述，所述速度的旋转分量由叶轮自身的旋转运动所引起，并且应当与本说明书中所述的旋涡运动区分开。涡旋运动可以与叶轮的旋转方向同向或者反向地赋予液流；由叶轮旋转所引起的速度的旋转分量当然一直与叶轮的旋转同向。假定旋流叶片位于泵腔内，应当理解的是，叶轮引起的速度的旋转分量是如果旋流叶片不存在时将会出现的分量。)

机动车发动机内的冷却液在绕着冷却系统流动时穿过很多通路、拱顶(vault)、腔、软管、管道等。整个液流多次被分开和重新合并。通常，整个液流所穿过(并且其速度最大时)的最小横截面面积是叶轮自身的横截流通面积，即穿过叶轮叶片的最小横截面流通面积，即最小平方毫米面积。最小平方毫米面积A的平方根是最小直径D(毫米)。

理想地，泵腔应当被设计为限制液流穿过一个随着液流接近叶轮而逐渐且渐进地减小并且随着液流远离叶轮而逐渐且渐进地增大的横截面。当然，通常不可能单单为了最大化流通效率而设计泵腔。在一些情况下，设计限制可能意味着泵腔只是从叶轮向上游/下游延伸例如最小直径D(毫米)的1/2。(再次，泵腔是流通限制壁的引导液流通过叶轮的部分，其中液流具有速度的大致旋转分量。)即使当泵腔被设计为具有作为主要标准的流通效率，流动液体的速度的旋转分量只是从叶轮的上游/下游延伸几十个毫米。为了本发明的目的，即本发明的优选形式，可以认为，位于沿着流通方向测量的距离叶轮超过约一又二分之一个最小直径D或两个最小直径D的液流没有位于泵腔内的部分。也就是说：在优选的发明中，距离叶轮超过约一又二分之一最小直径D或两个最小直径D的液流部分中出现的速度的任何旋转分量将不会很大。在本发明中，优选地，散热器口闭合件位于泵腔内，或者散热器口闭合件结构的至少主要部分应当位于泵腔内。如果在壳体壁中有例如弯曲，或其它突变，其阻止叶轮引起的旋转被传递至其上，那么壁位于弯曲或突变之上的部分将不会是泵腔的部分。

冷却系统在不同的发动机设计中是不同的，尤其对于冷却液在散热器口处于关闭时绕着发动机循环的方式，以及对于加热器如何被带入回路中。该布置总是包括有旁路通道，由此小流速的冷却液在冷却液是冷却的并且穿过散热器的主液流被阻塞时能循环穿过发动机。这些旁路通道可以包括有例如压敏止回阀。旁路通道的布置可以使得穿过发动机的冷却旁路液流只是还穿过加热器。或者其可以是使得液流在冷却液为冷却的时只是穿过发动机并且不穿过加热器，并且穿过加热器的液流只是在使得冷却液已经稍微变热的温度(但是不足以打开散热器口)下开始。或者其可以布置为当冷却液非常冷时甚至没有液流穿过发动机，直到冷却液已经稍微变热。在那种情况下，冷却液在一个第一温度处开始循环穿过发动机，然后在一个较高温度处穿过加热器，然后在一个更高温度处穿过散热器；这个系统当然需要比仅仅提供有一个常规恒温装置的系统更复杂的温度探测(和更复杂地转换成机械运动)。

不管怎样的特定布置用于冷却旁路循环，本发明通常都是可以应用的。本发明旨在提供一种利用旋流叶片结合热主循环的热模块的方式，并具有当穿过散热器的液流被阻塞时规划冷却旁路液流流过发动机和泵的方式。设计者将会很自然地采用通路和通道的特定布置以适应冷却旁路循环的特定设计。可以布置为穿过加热器的冷却液流借助于分开的泵(即与主冷却液循环泵分开)在其中循环；在那种情况下，假定穿过发动机的冷却旁路液流仍然经过主冷却液泵，则本发明可以应用于此。实际上，本发明可以应用于根本不具有冷却液循环系统的发动机。对于使用两个分开的冷却液循环泵(一个处理冷却旁路循环，另一个处理热的主循环)的发动机的情况，不能应用本发明。