基于專利分析的車用水泵技術現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

殷玉恩,康彥紅,高娃

(中國北方發(fā)動機研究所(天津)，天津 300400)

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基于專利分析的車用水泵技術現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

殷玉恩,康彥紅,高娃

(中國北方發(fā)動機研究所(天津)，天津 300400)

車用水泵作為發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的核心部件，為發(fā)動機內(nèi)冷卻液循環(huán)提供動力，對降低發(fā)動機熱負荷、提高發(fā)動機可靠性具有重要意義。以SOOPAT專利數(shù)據(jù)庫為基礎，制定檢索策略，從專利類型分布、年度專利申請量、申請人分布、技術生命周期和IPC分布情況對車用水泵技術進行了分析，得出車用水泵在我國的技術現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，為車用水泵企業(yè)制定研發(fā)路線和進行專利布局提供參考和借鑒。

車用水泵；專利分析；專利數(shù)據(jù)庫；技術現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢

0 引言

隨著發(fā)動機功率的提升，各零部件承受的熱負荷越來越嚴重[1]：一方面當溫度超過零部件承受限度后，材料強度下降、硬度降低[2]，同時由于受熱膨脹，配合間隙改變，再加之潤滑介質(zhì)性能下降，導致磨損量加大；另一方面，對于缸蓋、活塞等零部件直接承受燃燒產(chǎn)生的高溫高壓，零部件上各部分溫度分布差異很大，引起的熱應力極易使這些強烈受熱部件產(chǎn)生幾何變形甚至破壞，進而造成嚴重的后果[3]。冷卻系統(tǒng)是發(fā)動機的重要組成系統(tǒng)，冷卻液在發(fā)動機內(nèi)循環(huán)流動，承擔著及時帶走缸蓋、活塞等受熱部件的熱量，使發(fā)動機在合適的溫度范圍內(nèi)運行的任務，避免發(fā)動機因過熱造成可靠性下降[4]；在進氣增壓發(fā)動機中，還要通過中冷器對進入氣缸參與燃燒的新鮮空氣進行冷卻，進一步提升進氣密度，對提高發(fā)動機的性能也有重要的影響[5]。

水泵作為發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的核心部件，為冷卻液在發(fā)動機冷卻系統(tǒng)內(nèi)的循環(huán)提供動力，對發(fā)動機健康運行有重要作用[6]。

近年來，隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車相關零部件性能和可靠性得到高度重視，車用水泵的研究價值也日益突出[7]。通過對車用水泵領域的專利信息進行檢索和統(tǒng)計分析，主要研究了我國車用水泵領域自2001年以來的專利申請情況，對車用水泵專利的主要指標進行了歸納總結(jié)，分析了車用水泵的技術現(xiàn)狀，指出了當前車用水泵專利方面存在的問題，為車用水泵企業(yè)制定研發(fā)路線和專利技術策略提供參考和借鑒。

1 研究工具和研究方法

專利是衡量創(chuàng)新能力和水平的重要標志之一[8]。國務院印發(fā)的《中國制造2025》明確提出要求“強化知識產(chǎn)權運用。加強制造業(yè)重點領域關鍵核心技術知識產(chǎn)權儲備，構建產(chǎn)業(yè)化導向的專利組合和戰(zhàn)略布局。鼓勵和支持企業(yè)運用知識產(chǎn)權參與市場競爭，培育一批具備知識產(chǎn)權綜合實力的優(yōu)勢企業(yè)，支持組建知識產(chǎn)權聯(lián)盟，推動市場主體開展知識產(chǎn)權協(xié)同運用?！睂＠暾埩看蟆⑸暾埖陌l(fā)明專利比例高、授權的發(fā)明專利比例高、數(shù)量多通常代表企業(yè)的技術創(chuàng)新度高，在市場競爭中容易處于優(yōu)勢地位。

作者利用SOOPAT數(shù)據(jù)庫的專利檢索功能，針對車用水泵技術專利申請情況進行了統(tǒng)計，分析了車用水泵技術領域?qū)＠愋透艣r、專利年度申請量、申請人情況和專利技術方向分布情況，展示了車用水泵技術專利現(xiàn)狀和車用水泵廠家的技術創(chuàng)造趨勢，為利用專利信息促進水泵技術創(chuàng)新和進步提供決策參考，為車用水泵研究開發(fā)提供技術依據(jù)。

檢索時間為2016年5月8日，檢索式：MC:(水泵) ZY:(車OR發(fā)動機OR柴油機)，專利數(shù)據(jù)來源是1985—2015年國家知識產(chǎn)權局公開的所有中國專利。

2 車用水泵專利統(tǒng)計與分析

2.1 專利類型概況

圖1顯示了目前我國車用水泵技術領域?qū)＠愋头植记闆r。國內(nèi)已公開的車用水泵技術專利共1 812項，其中發(fā)明專利353項、實用新型1 169項、外觀設計290項，已獲授權的發(fā)明專利共有92項。

圖1 車用水泵專利類型分布

從圖1可以看出：在所有專利申請中，實用新型專利所占的比例最大，占車用水泵專利申請總量的64.5%；外觀設計占總量的16%；而代表較高創(chuàng)新度的發(fā)明專利申請占專利申請總量的19.5%。但是通過實質(zhì)審查，獲得授權的發(fā)明專利僅占專利申請總量的5%，占發(fā)明專利申請總數(shù)的26%。而2015年我國共申請專利279.7萬件，其中發(fā)明專利申請總量為110.2萬件，占專利申請總量的39.4%[9]。通過比較可以看出車用水泵技術領域技術創(chuàng)新的深度不足，這就要求相關廠家加大技術研發(fā)投入，制定相應的專利申請和保護策略，在車用水泵技術領域進行深入挖掘，進一步提升發(fā)明創(chuàng)造的質(zhì)量。

2.2 專利年度申請量

我國從1985年開始陸續(xù)有車用水泵專利申請?zhí)峤坏絿抑R產(chǎn)權局，但是在2001年之前，車用水泵專利年申請量呈現(xiàn)個位數(shù)的狀態(tài)，說明這一時期水泵領域的創(chuàng)新度不強，發(fā)明創(chuàng)造活動不活躍。

圖2顯示了2001年后的車用水泵領域年度專利申請量的分布情況。由于專利從申請到公開最長可達18個月，因此圖2中顯示的2015年的專利申請量要比實際專利申請量少一些。

從圖2可以看出：從2001年到2007年，專利申請量基本保持穩(wěn)中有增的態(tài)勢，車用水泵領域的創(chuàng)新力度開始加大；從2008年開始，年度專利申請量超過了50件，且開始快速增長，至2012年車用水泵領域的專利申請達到了高峰，年申請量超過了300件，這也是目前為止的年度最大申請量，反映出車用水泵領域的技術創(chuàng)新活躍程度持續(xù)增強，對車用水泵創(chuàng)新創(chuàng)造的重視程度更高了，認識也更深化；此后兩年專利申請量逐漸下滑，2014年的年度專利申請量為247件;2015年的專利申請目前尚未全部公開，估計申請總量應該與2014年持平。

圖2 車用水泵專利申請年度分布

圖3顯示了2001年后的車用水泵領域發(fā)明申請量的年度分布情況。

圖3 車用水泵發(fā)明專利申請和授權年度分布

從圖3可以看出：雖然車用水泵領域?qū)＠晟暾埩康内厔菔窍仍龊蠼?，但最能體現(xiàn)車用水泵領域技術創(chuàng)新的發(fā)明專利年度申請量卻保持了較好的持續(xù)增長趨勢，尤其是2015年的專利申請量雖然并未全部公開，發(fā)明專利申請量也已經(jīng)超過了2014年，充分說明車用水泵領域技術創(chuàng)新持續(xù)活躍，技術創(chuàng)新程度逐漸加深。

圖4顯示了2001年后的車用水泵領域?qū)嵱眯滦蜕暾埩康哪甓确植记闆r?？梢钥闯觯簭?001年到2009年，實用新型專利申請量保持平穩(wěn)增長的趨勢，2010年實用新型專利申請量略有下滑，但2011年以后又開始了持續(xù)增長，直到2013年實用新型專利申請量達到頂峰，2013年以后的實用新型專利申請量呈現(xiàn)下降趨勢。

圖5顯示了2001年后的車用水泵領域每年發(fā)明專利申請量占專利年度總申請量的比例情況。

圖4 車用水泵實用新型專利申請年度分布

圖5 車用水泵發(fā)明專利比例

從圖5可以看出：2010年之前，發(fā)明專利比例呈現(xiàn)無規(guī)律的上下起伏狀態(tài)，這是由于發(fā)明專利申請量和年度專利申請總量都相對較小的緣故；2012年以后，發(fā)明專利所占的比例逐步提升，2015年預計將達到30%，說明相關廠家對專利技術的要求開始從數(shù)量向質(zhì)量轉(zhuǎn)移，對發(fā)明創(chuàng)造的質(zhì)量要求越來越高，這也意味著車用水泵廠家的技術創(chuàng)新能力在不斷提升。

2.3 申請人分析

將外觀設計專利剔除，只對表征技術創(chuàng)新的發(fā)明和實用新型的申請人進行分析，對專利權人(或申請人)所持有的專利情況進行數(shù)量統(tǒng)計，找出車用水泵領域技術創(chuàng)新能力強的優(yōu)勢廠家，追蹤其技術發(fā)展動向，借此推斷各個廠家的技術積累情況。

從表1可以看出：車用水泵領域?qū)＠暾埩孔畲蟮恼憬て嚵悴考邢薰?，該公司共申報車用水泵領域?qū)＠?9項，是排名第二的廣西玉柴機器股份有限公司車用水泵技術領域?qū)＠暾埩康膬杀?，具備較強的專利意識。但同時還應看到該公司專利申請中只有4項發(fā)明專利，而且都已經(jīng)被視為撤回，從而不具備專利效力，這說明該公司車用水泵技術實力還需要進一步提升，以獲得有效的專利保護。

表1 專利申請量排名

備注：*無效發(fā)明指主動撤回或者被駁回的發(fā)明專利申請。

還應看到：在專利申請量排名前10的申請人中，整車廠家占據(jù)了7席，專業(yè)的車用水泵廠家只有3席，這說明整車廠家對專利的重視程度要高于水泵專業(yè)廠家，后者作為水泵技術的主要研發(fā)者對專利的重視程度明顯不夠，這與當前整車廠更重視知識產(chǎn)權的現(xiàn)狀是一致的。

從發(fā)明專利授權量來看：大部分授權的發(fā)明專利是整車廠取得的，車用水泵專業(yè)廠家只有河南省西峽汽車水泵股份有限公司獲得了3項發(fā)明專利授權，而奇瑞和長城分別有4項發(fā)明專利授權，主要原因在于整車廠專利申請量大，一般設置專門的知識產(chǎn)權管理部門，對企業(yè)知識產(chǎn)權進行集中管理，專人負責專利挖掘和布局，在技術的保護方面做得更全面更周到，這一有效提高專利申請和授權率的做法值得大型專業(yè)廠家借鑒。

2.4 技術生命周期分析

根據(jù)專利申請數(shù)量與專利申請人數(shù)量的對比，可以將一項技術的發(fā)展歷程分為起步階段、發(fā)展階段、技術成熟階段、衰退階段及再發(fā)展階段[10]。繪制2001年至2015年的水泵技術生命周期圖(見圖6)，分析車用水泵技術所處的各階段。

在2007年以前，車用水泵技術處于起步階段，此時水泵專利申請數(shù)量和專利申請人數(shù)量都比較少，商品化程度不高，對車用水泵技術的研究尚未深入。

圖6 技術生命周期圖

2007年起至2012年，車用水泵技術處于發(fā)展階段，這一階段的特點是隨著市場擴容，研發(fā)廠商和研發(fā)投入增多，研發(fā)的橫向領域和縱向深度進一步拓展延伸，有了一定的研發(fā)基礎和成果，表現(xiàn)在技術生命周期圖上就是專利申請數(shù)量和申請人數(shù)同步增加。

2013年以后為成熟階段，車用水泵技術日趨成熟，大量專利申請屬于改進型發(fā)明創(chuàng)造，原始創(chuàng)新技術減少，與其他技術領域相結(jié)合的集成創(chuàng)新、細節(jié)創(chuàng)新增多，表現(xiàn)在技術生命周期圖上為申請人數(shù)量繼續(xù)增加，但專利申請數(shù)量小幅下降?？梢灶A見在不久的將來，隨著技術的進一步成熟，車用水泵技術領域?qū)⑦M入衰退階段，研發(fā)將向技術實力雄厚、市場占有率高的廠家轉(zhuǎn)移，并在新的原始創(chuàng)新到來后進入再發(fā)展階段。

2.5 IPC分類號分析

從表2可以看出：車用水泵領域的專利申請主要分布在F01P5/10(泵送液體冷卻劑；冷卻液泵的設置)小組中，共有243項專利申請，占所有專利申請總量的8.22%；其次是F04D29/08(密封)小組，有117項專利申請。由此可知，這兩個領域是車用水泵研發(fā)的重點技術領域，分別代表了車用水泵總體和密封設計技術領域，尤其是泵的密封設計技術是近年來泵設計技術的熱點領域。相關廠家應加大這兩個技術領域的技術研發(fā)投入，防范侵權風險；同時也說明車用水泵在技術上相對成熟，革命性發(fā)明創(chuàng)造較難產(chǎn)生，車用水泵創(chuàng)新方向已經(jīng)從結(jié)構布置創(chuàng)新轉(zhuǎn)向與其他技術領域相結(jié)合的集成創(chuàng)新，建議可以從智能化、電動化的角度，結(jié)合新材料和新工藝，以提升性能和降低成本為目的進行細節(jié)的創(chuàng)新創(chuàng)造，積小成大，推動水泵技術的進步。

通過對檢索到的1 500余項發(fā)明和實用新型專利進行分類，車用水泵領域典型專利分析總結(jié)出了近年來車用水泵創(chuàng)新點的分布情況，并列舉了具有代表性的發(fā)明創(chuàng)造。

表2 IPC分類號分布

2.5.1 冷卻液泵的設置

對于某些特種用途的車輛，如軍用裝甲車輛，其運行工況的特殊性導致了對車用水泵的緊湊性或大流量、大揚程等特殊要求。如中國北方發(fā)動機研究所申請了一種車用雙面水泵[11]，其結(jié)構如圖7所示，通過采用雙面葉輪和具有兩個獨立漸擴蝸腔的蝸殼的配合，將兩個普通水泵在結(jié)構上集成在一起，共用一套傳動、密封、安裝結(jié)構，體積和質(zhì)量減小了30%以上，水泵效率提升10%，提高了發(fā)動機的緊湊性，有效滿足特種車輛對發(fā)動機緊湊性的需求。

圖7 雙面水泵結(jié)構示意圖

雙面水泵是對水泵結(jié)構型式的創(chuàng)新，屬于原始創(chuàng)新的范疇，創(chuàng)新的程度較高。對于此種類型的發(fā)明創(chuàng)造，不能僅僅對其結(jié)構進行專利申請，應結(jié)合新材料、新的密封型式等較低創(chuàng)新度的技術，或?qū)ζ浣Y(jié)構部件的新工藝，如葉輪采用的隔熱工藝[12]等進行覆蓋式專利布局，以有效保護這種水泵結(jié)構型式的創(chuàng)新。

2.5.2 密封

車用水泵大多采用機械密封結(jié)構，由于泵軸帶動葉輪旋轉(zhuǎn)時在軸與水泵殼體之間存在一定的間隙，容易引起水泵泄漏故障，水泵密封結(jié)構的可靠性和耐久性直接影響車用水泵的性能，因此水泵密封結(jié)構一直是一個研究熱點，并取得了相當?shù)某煽?。其中具有代表性的是華東理工大學和江蘇容天樂機械股份有限公司聯(lián)合申報了一項汽車水泵軸承密封裝置的專利[13]，其結(jié)構如圖8所示。采用帶有三唇結(jié)構的密封體，使用中通過密封體主唇和第二副唇分別與甩水環(huán)彈性壓緊以及第一副唇與軸的密實接觸實現(xiàn)密封效果；通過甩水環(huán)轉(zhuǎn)動時的離心效應，其圓弧形排水槽可以阻止水汽侵入軸承，防止軸承內(nèi)壓下降造成的吸水吸塵現(xiàn)象。

圖8 軸對稱的水泵軸承密封裝置剖面視圖

此類專利屬于對車用水泵細節(jié)技術特征的改進，從創(chuàng)新性上來說，通常低于對車用水泵結(jié)構型式的創(chuàng)新，但是目前基于車用水泵技術的成熟度而言，車用水泵技術已經(jīng)由整體結(jié)構型式的創(chuàng)新轉(zhuǎn)入具體細節(jié)技術特征的創(chuàng)新。

2.5.3 其他領域

除了冷卻液泵的設置和密封領域，在檢索到的專利申請中，還有其他領域也是車用水泵發(fā)明創(chuàng)造的熱點領域，如水泵試驗臺架，新材料在水泵部件尤其是葉輪和蝸殼上的應用，以及傳動領域的改進等，這說明對車用水泵的研究貫穿了車用水泵領域的上下游，同時說明了對車用水泵的創(chuàng)新進入了細節(jié)和局部集成創(chuàng)新。

3 結(jié)論

從車用水泵技術領域?qū)＠愋透艣r、專利年度申請量、申請人情況和專利技術方向分布情況對該技術領域的專利申請情況進行了詳細的分析，結(jié)果表明車用水泵廠家的技術創(chuàng)新能力在不斷提升，但整車廠家的專利保護狀況要好于車用水泵部件廠家；目前車用水泵處于技術成熟階段，呈現(xiàn)出技術成熟度高、技術研發(fā)深入的現(xiàn)狀，主要研發(fā)領域是水泵結(jié)構型式和密封設計技術領域，但是車用水泵創(chuàng)新方向已經(jīng)轉(zhuǎn)向與其他技術領域相結(jié)合的集成創(chuàng)新、細節(jié)創(chuàng)新。

【1】景國璽,張儒華,郭昌明,等.高強化柴油機缸蓋傳熱特性分析與改進設計[J].車用發(fā)動機,2014(2):1-5. JING G X,ZHANG R H,GUO C M,et al.Heat Transfer Characteristics Analysis and Improvement of Cylinder Head in Highly-strengthened Diesel Engine[J].Vehicle Engine,2014(2):1-5.

【2】張軍,韓亮,邢清超.柴油發(fā)動機溫度過高的成因與解決方法[J].汽車運用,2011(12):45-46.

【3】劉震濤,陳思南,黃瑞,等.高功率密度柴油機氣缸蓋熱負荷分析與優(yōu)化[J].浙江大學學報(工學版),2015,49(8):1544-1552. LIU Z T,CHEN S N,HUANG R,et al.Thermal Load Analysis and Optimization of High Power Density Diesel Engine Cylinder Head[J].Journal of Zhejiang University(Engineering Science),2015,49(8):1544-1552.

【4】殷玉恩,高娃,成立強.特種發(fā)動機離心式水泵性能預測[J].內(nèi)燃機,2011(1):17-19. YIN Y E,GAO W,CHENG L Q.Performance Prediction for a Centrifugal Pump of Special Engine[J].Internal Combustion Engines,2011(1):17-19.

【5】潘躍,吳子文.柴油機渦輪增壓中冷技術及對排放控制分析[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程,2008(1):48-49. PAN Y,WU Z W.Technology of Inter-cooling Turbo and Analysis to Its Emissions Controlling in Diesel Engines[J].Agricultural Equipment & Vehicle Engineering,2008(1):48-49.

【6】謝輝,康娜.重型柴油機冷卻風扇和水泵的功率分配對熱管理系統(tǒng)總能耗的影響[J].天津大學學報(自然科學與工程技術版),2015(3):225-233. XIE H，KANG N.Influence of Power Distribution of Fan and Pump on the Total Power Consumption of Thermal Management System in Heavy-diesel Engine[J].Journal of Tianjin University(Science and Technology),2015(3):225-233.

【7】吳杰,唐倩,張元勛,等.基于CFD的汽車冷卻系統(tǒng)水泵葉輪設計與實驗[J].機械研究與應用,2013,26(2):89-91. WU J，TANG Q，ZHANG Y X,et al.Impeller Design and Experiment for Automobile Water Pump Based on CFD[J].Mechanical Research & Application,2013,26(2):89-91.

【8】胡蓮艷,吳齊芳.專利信息與企業(yè)技術創(chuàng)新[J].汽車科技,2011(3):78-81. HU L Y，WU Q F.Patent Information and Technology Innovation[J].Automobile Science and Technology,2011(3):78-81.

【9】譚謨曉,高敬.2015年我國發(fā)明專利申請受理量超100萬件蟬聯(lián)世界第一[J].石油機械,2016(2)：33.

【10】吳新銀.專利地圖在企業(yè)專利戰(zhàn)略中的應用研究[D].武漢：華中科技大學,2004.

【11】成立強,鮑通,王龍飛,等.一種雙面葉輪水泵:CN104500206A[P].2015-04-08.

【12】王龍飛,成立強,鮑通,等.一種分體隔熱雙面水泵葉輪:CN103148014A[P].2013-06-12.

【13】安琦,周瓊,唐建平,等.汽車水泵軸承密封裝置:CN102011746B[P].2011-04-13.

Technical State and Development Tendency for Vehicle Pump Based on Patent Analysis

YIN Yuen，KANG Yanhong，GAO Wa

(China North Engine Research Institute(Tianjin)，Tianjin 300400,China)

As the core component of engine cooling system, which provides power for cooling fluid cycle of engine, vehicle pump has important significance to reduce heat load and improve reliability of engine. Based on the SOOPAT patent database, a retrieval strategy was developed, and then the vehicle pump technology was analyzed from the viewpoints of patent type distribution, annual patent application, applicant’s distribution, technology life cycle and IPC distribution. The technical state and development tendency of vehicle pump were obtained, which provided a reference for making research route and patent layout of pump enterprises.

Vehicle pump; Patent analysis; Patent database; Technical state; Development tendency

2016-08-01

殷玉恩(1982—)，男，助理研究員，主要從事知識產(chǎn)權管理工作。E-mail：yinyuen@baicgroup.com.cn。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2016.11.020

U461.91

A

1674-1986(2016)11-080-05