基于专利分析的车用水泵技术现状与发展趋势

殷玉恩,康彦红,高娃

(中国北方发动机研究所(天津)，天津 300400)



基于专利分析的车用水泵技术现状与发展趋势

殷玉恩,康彦红,高娃

(中国北方发动机研究所(天津)，天津 300400)

车用水泵作为发动机冷却系统的核心部件，为发动机内冷却液循环提供动力，对降低发动机热负荷、提高发动机可靠性具有重要意义。以SOOPAT专利数据库为基础，制定检索策略，从专利类型分布、年度专利申请量、申请人分布、技术生命周期和IPC分布情况对车用水泵技术进行了分析，得出车用水泵在我国的技术现状和发展趋势，为车用水泵企业制定研发路线和进行专利布局提供参考和借鉴。

车用水泵；专利分析；专利数据库；技术现状；发展趋势

0 引言

随着发动机功率的提升，各零部件承受的热负荷越来越严重[1]：一方面当温度超过零部件承受限度后，材料强度下降、硬度降低[2]，同时由于受热膨胀，配合间隙改变，再加之润滑介质性能下降，导致磨损量加大；另一方面，对于缸盖、活塞等零部件直接承受燃烧产生的高温高压，零部件上各部分温度分布差异很大，引起的热应力极易使这些强烈受热部件产生几何变形甚至破坏，进而造成严重的后果[3]。冷却系统是发动机的重要组成系统，冷却液在发动机内循环流动，承担着及时带走缸盖、活塞等受热部件的热量，使发动机在合适的温度范围内运行的任务，避免发动机因过热造成可靠性下降[4]；在进气增压发动机中，还要通过中冷器对进入气缸参与燃烧的新鲜空气进行冷却，进一步提升进气密度，对提高发动机的性能也有重要的影响[5]。

水泵作为发动机冷却系统的核心部件，为冷却液在发动机冷却系统内的循环提供动力，对发动机健康运行有重要作用[6]。

近年来，随着汽车工业的发展，汽车相关零部件性能和可靠性得到高度重视，车用水泵的研究价值也日益突出[7]。通过对车用水泵领域的专利信息进行检索和统计分析，主要研究了我国车用水泵领域自2001年以来的专利申请情况，对车用水泵专利的主要指标进行了归纳总结，分析了车用水泵的技术现状，指出了当前车用水泵专利方面存在的问题，为车用水泵企业制定研发路线和专利技术策略提供参考和借鉴。

1 研究工具和研究方法

专利是衡量创新能力和水平的重要标志之一[8]。国务院印发的《中国制造2025》明确提出要求“强化知识产权运用。加强制造业重点领域关键核心技术知识产权储备，构建产业化导向的专利组合和战略布局。鼓励和支持企业运用知识产权参与市场竞争，培育一批具备知识产权综合实力的优势企业，支持组建知识产权联盟，推动市场主体开展知识产权协同运用。”专利申请量大、申请的发明专利比例高、授权的发明专利比例高、数量多通常代表企业的技术创新度高，在市场竞争中容易处于优势地位。

作者利用SOOPAT数据库的专利检索功能，针对车用水泵技术专利申请情况进行了统计，分析了车用水泵技术领域专利类型概况、专利年度申请量、申请人情况和专利技术方向分布情况，展示了车用水泵技术专利现状和车用水泵厂家的技术创造趋势，为利用专利信息促进水泵技术创新和进步提供决策参考，为车用水泵研究开发提供技术依据。

检索时间为2016年5月8日，检索式：MC:(水泵) ZY:(车OR发动机OR柴油机)，专利数据来源是1985—2015年国家知识产权局公开的所有中国专利。

2 车用水泵专利统计与分析

2.1 专利类型概况

图1显示了目前我国车用水泵技术领域专利类型分布情况。国内已公开的车用水泵技术专利共1 812项，其中发明专利353项、实用新型1 169项、外观设计290项，已获授权的发明专利共有92项。

图1 车用水泵专利类型分布

从图1可以看出：在所有专利申请中，实用新型专利所占的比例最大，占车用水泵专利申请总量的64.5%；外观设计占总量的16%；而代表较高创新度的发明专利申请占专利申请总量的19.5%。但是通过实质审查，获得授权的发明专利仅占专利申请总量的5%，占发明专利申请总数的26%。而2015年我国共申请专利279.7万件，其中发明专利申请总量为110.2万件，占专利申请总量的39.4%[9]。通过比较可以看出车用水泵技术领域技术创新的深度不足，这就要求相关厂家加大技术研发投入，制定相应的专利申请和保护策略，在车用水泵技术领域进行深入挖掘，进一步提升发明创造的质量。

2.2 专利年度申请量

我国从1985年开始陆续有车用水泵专利申请提交到国家知识产权局，但是在2001年之前，车用水泵专利年申请量呈现个位数的状态，说明这一时期水泵领域的创新度不强，发明创造活动不活跃。

图2显示了2001年后的车用水泵领域年度专利申请量的分布情况。由于专利从申请到公开最长可达18个月，因此图2中显示的2015年的专利申请量要比实际专利申请量少一些。

从图2可以看出：从2001年到2007年，专利申请量基本保持稳中有增的态势，车用水泵领域的创新力度开始加大；从2008年开始，年度专利申请量超过了50件，且开始快速增长，至2012年车用水泵领域的专利申请达到了高峰，年申请量超过了300件，这也是目前为止的年度最大申请量，反映出车用水泵领域的技术创新活跃程度持续增强，对车用水泵创新创造的重视程度更高了，认识也更深化；此后两年专利申请量逐渐下滑，2014年的年度专利申请量为247件;2015年的专利申请目前尚未全部公开，估计申请总量应该与2014年持平。

图2 车用水泵专利申请年度分布

图3显示了2001年后的车用水泵领域发明申请量的年度分布情况。

图3 车用水泵发明专利申请和授权年度分布

从图3可以看出：虽然车用水泵领域专利年申请量的趋势是先增后降，但最能体现车用水泵领域技术创新的发明专利年度申请量却保持了较好的持续增长趋势，尤其是2015年的专利申请量虽然并未全部公开，发明专利申请量也已经超过了2014年，充分说明车用水泵领域技术创新持续活跃，技术创新程度逐渐加深。

图4显示了2001年后的车用水泵领域实用新型申请量的年度分布情况。可以看出：从2001年到2009年，实用新型专利申请量保持平稳增长的趋势，2010年实用新型专利申请量略有下滑，但2011年以后又开始了持续增长，直到2013年实用新型专利申请量达到顶峰，2013年以后的实用新型专利申请量呈现下降趋势。

图5显示了2001年后的车用水泵领域每年发明专利申请量占专利年度总申请量的比例情况。

图4 车用水泵实用新型专利申请年度分布

图5 车用水泵发明专利比例

从图5可以看出：2010年之前，发明专利比例呈现无规律的上下起伏状态，这是由于发明专利申请量和年度专利申请总量都相对较小的缘故；2012年以后，发明专利所占的比例逐步提升，2015年预计将达到30%，说明相关厂家对专利技术的要求开始从数量向质量转移，对发明创造的质量要求越来越高，这也意味着车用水泵厂家的技术创新能力在不断提升。

2.3 申请人分析

将外观设计专利剔除，只对表征技术创新的发明和实用新型的申请人进行分析，对专利权人(或申请人)所持有的专利情况进行数量统计，找出车用水泵领域技术创新能力强的优势厂家，追踪其技术发展动向，借此推断各个厂家的技术积累情况。

从表1可以看出：车用水泵领域专利申请量最大的浙江三工汽车零部件有限公司，该公司共申报车用水泵领域专利59项，是排名第二的广西玉柴机器股份有限公司车用水泵技术领域专利申请量的两倍，具备较强的专利意识。但同时还应看到该公司专利申请中只有4项发明专利，而且都已经被视为撤回，从而不具备专利效力，这说明该公司车用水泵技术实力还需要进一步提升，以获得有效的专利保护。

表1 专利申请量排名

备注：*无效发明指主动撤回或者被驳回的发明专利申请。

还应看到：在专利申请量排名前10的申请人中，整车厂家占据了7席，专业的车用水泵厂家只有3席，这说明整车厂家对专利的重视程度要高于水泵专业厂家，后者作为水泵技术的主要研发者对专利的重视程度明显不够，这与当前整车厂更重视知识产权的现状是一致的。

从发明专利授权量来看：大部分授权的发明专利是整车厂取得的，车用水泵专业厂家只有河南省西峡汽车水泵股份有限公司获得了3项发明专利授权，而奇瑞和长城分别有4项发明专利授权，主要原因在于整车厂专利申请量大，一般设置专门的知识产权管理部门，对企业知识产权进行集中管理，专人负责专利挖掘和布局，在技术的保护方面做得更全面更周到，这一有效提高专利申请和授权率的做法值得大型专业厂家借鉴。

2.4 技术生命周期分析

根据专利申请数量与专利申请人数量的对比，可以将一项技术的发展历程分为起步阶段、发展阶段、技术成熟阶段、衰退阶段及再发展阶段[10]。绘制2001年至2015年的水泵技术生命周期图(见图6)，分析车用水泵技术所处的各阶段。

在2007年以前，车用水泵技术处于起步阶段，此时水泵专利申请数量和专利申请人数量都比较少，商品化程度不高，对车用水泵技术的研究尚未深入。

图6 技术生命周期图

2007年起至2012年，车用水泵技术处于发展阶段，这一阶段的特点是随着市场扩容，研发厂商和研发投入增多，研发的横向领域和纵向深度进一步拓展延伸，有了一定的研发基础和成果，表现在技术生命周期图上就是专利申请数量和申请人数同步增加。

2013年以后为成熟阶段，车用水泵技术日趋成熟，大量专利申请属于改进型发明创造，原始创新技术减少，与其他技术领域相结合的集成创新、细节创新增多，表现在技术生命周期图上为申请人数量继续增加，但专利申请数量小幅下降。可以预见在不久的将来，随着技术的进一步成熟，车用水泵技术领域将进入衰退阶段，研发将向技术实力雄厚、市场占有率高的厂家转移，并在新的原始创新到来后进入再发展阶段。

2.5 IPC分类号分析

从表2可以看出：车用水泵领域的专利申请主要分布在F01P5/10(泵送液体冷却剂；冷却液泵的设置)小组中，共有243项专利申请，占所有专利申请总量的8.22%；其次是F04D29/08(密封)小组，有117项专利申请。由此可知，这两个领域是车用水泵研发的重点技术领域，分别代表了车用水泵总体和密封设计技术领域，尤其是泵的密封设计技术是近年来泵设计技术的热点领域。相关厂家应加大这两个技术领域的技术研发投入，防范侵权风险；同时也说明车用水泵在技术上相对成熟，革命性发明创造较难产生，车用水泵创新方向已经从结构布置创新转向与其他技术领域相结合的集成创新，建议可以从智能化、电动化的角度，结合新材料和新工艺，以提升性能和降低成本为目的进行细节的创新创造，积小成大，推动水泵技术的进步。

通过对检索到的1 500余项发明和实用新型专利进行分类，车用水泵领域典型专利分析总结出了近年来车用水泵创新点的分布情况，并列举了具有代表性的发明创造。

表2 IPC分类号分布

2.5.1 冷却液泵的设置

对于某些特种用途的车辆，如军用装甲车辆，其运行工况的特殊性导致了对车用水泵的紧凑性或大流量、大扬程等特殊要求。如中国北方发动机研究所申请了一种车用双面水泵[11]，其结构如图7所示，通过采用双面叶轮和具有两个独立渐扩蜗腔的蜗壳的配合，将两个普通水泵在结构上集成在一起，共用一套传动、密封、安装结构，体积和质量减小了30%以上，水泵效率提升10%，提高了发动机的紧凑性，有效满足特种车辆对发动机紧凑性的需求。

图7 双面水泵结构示意图

双面水泵是对水泵结构型式的创新，属于原始创新的范畴，创新的程度较高。对于此种类型的发明创造，不能仅仅对其结构进行专利申请，应结合新材料、新的密封型式等较低创新度的技术，或对其结构部件的新工艺，如叶轮采用的隔热工艺[12]等进行覆盖式专利布局，以有效保护这种水泵结构型式的创新。

2.5.2 密封

车用水泵大多采用机械密封结构，由于泵轴带动叶轮旋转时在轴与水泵壳体之间存在一定的间隙，容易引起水泵泄漏故障，水泵密封结构的可靠性和耐久性直接影响车用水泵的性能，因此水泵密封结构一直是一个研究热点，并取得了相当的成绩。其中具有代表性的是华东理工大学和江苏容天乐机械股份有限公司联合申报了一项汽车水泵轴承密封装置的专利[13]，其结构如图8所示。采用带有三唇结构的密封体，使用中通过密封体主唇和第二副唇分别与甩水环弹性压紧以及第一副唇与轴的密实接触实现密封效果；通过甩水环转动时的离心效应，其圆弧形排水槽可以阻止水汽侵入轴承，防止轴承内压下降造成的吸水吸尘现象。

图8 轴对称的水泵轴承密封装置剖面视图

此类专利属于对车用水泵细节技术特征的改进，从创新性上来说，通常低于对车用水泵结构型式的创新，但是目前基于车用水泵技术的成熟度而言，车用水泵技术已经由整体结构型式的创新转入具体细节技术特征的创新。

2.5.3 其他领域

除了冷却液泵的设置和密封领域，在检索到的专利申请中，还有其他领域也是车用水泵发明创造的热点领域，如水泵试验台架，新材料在水泵部件尤其是叶轮和蜗壳上的应用，以及传动领域的改进等，这说明对车用水泵的研究贯穿了车用水泵领域的上下游，同时说明了对车用水泵的创新进入了细节和局部集成创新。

3 结论

从车用水泵技术领域专利类型概况、专利年度申请量、申请人情况和专利技术方向分布情况对该技术领域的专利申请情况进行了详细的分析，结果表明车用水泵厂家的技术创新能力在不断提升，但整车厂家的专利保护状况要好于车用水泵部件厂家；目前车用水泵处于技术成熟阶段，呈现出技术成熟度高、技术研发深入的现状，主要研发领域是水泵结构型式和密封设计技术领域，但是车用水泵创新方向已经转向与其他技术领域相结合的集成创新、细节创新。

【1】景国玺,张儒华,郭昌明,等.高强化柴油机缸盖传热特性分析与改进设计[J].车用发动机,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】张军,韩亮,邢清超.柴油发动机温度过高的成因与解决方法[J].汽车运用,2011(12):45-46.

【3】刘震涛,陈思南,黄瑞,等.高功率密度柴油机气缸盖热负荷分析与优化[J].浙江大学学报(工学版),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,成立强.特种发动机离心式水泵性能预测[J].内燃机,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】潘跃,吴子文.柴油机涡轮增压中冷技术及对排放控制分析[J].农业装备与车辆工程,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】谢辉,康娜.重型柴油机冷却风扇和水泵的功率分配对热管理系统总能耗的影响[J].天津大学学报(自然科学与工程技术版),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】吴杰,唐倩,张元勋,等.基于CFD的汽车冷却系统水泵叶轮设计与实验[J].机械研究与应用,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】胡莲艳,吴齐芳.专利信息与企业技术创新[J].汽车科技,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】谭谟晓,高敬.2015年我国发明专利申请受理量超100万件蝉联世界第一[J].石油机械,2016(2)：33.

【10】吴新银.专利地图在企业专利战略中的应用研究[D].武汉：华中科技大学,2004.

【11】成立强,鲍通,王龙飞,等.一种双面叶轮水泵:CN104500206A[P].2015-04-08.

【12】王龙飞,成立强,鲍通,等.一种分体隔热双面水泵叶轮:CN103148014A[P].2013-06-12.

【13】安琦,周琼,唐建平,等.汽车水泵轴承密封装置: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，助理研究员，主要从事知识产权管理工作。E-mail：yinyuen@baicgroup.com.cn。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2016.11.020

U461.91

A

1674-1986(2016)11-080-05