CN108027269B - 用于测量流体的通流过程的可冷却的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于测量流体的通流过程的装置，所述装置具有入口(10)、出口(12)、流动壳体(38)，流体在所述流动壳体中流动、布置在所述流动壳体(38)中的可驱动的容积式流量计(16)、旁通管路(20)，通过所述旁通管路能够绕过所述容积式流量计(16)、布置在所述旁通管路(20)中并且布置在所述流动壳体(38)中的压差记录仪(22)、以及分析和控制单元(32)，根据在所述压差记录仪(22)处存在的压差，能够通过所述分析和控制单元调节可驱动的容积式流量计(16)。为了在使用温度直至200℃的测量流体时也保证正确运行，按照本发明建议在所述流动壳体(38)中构造冷却剂能够穿流的冷却通道(50)。

Description

用于测量流体的通流过程的可冷却的装置
本发明涉及一种用于测量流体的通流过程的装置，所述装置具有入口、出口、流动壳体，流体在所述流动壳体中流动、布置在所述流动壳体中的可驱动的容积式流量计、旁通管路，通过所述旁通管路能够绕过所述容积式流量计、布置在所述旁通管路中并且布置在所述流动壳体中的压差记录仪、以及分析和控制单元，根据在所述压差记录仪处存在的压差，能够通过所述分析和控制单元调节可驱动的容积式流量计。
这样的装置在多年前就已知并且例如用于内燃机的喷油量测量。
在专利文献DE-AS 1 798 080中描述了这种用于流量测量的装置的初始版本。该电子控制的流量计具有具备入口和出口的主管，齿轮泵形式的旋转的挤压器布置在主管中。旁通管路平行于主管地延伸，通过旁通管路可以绕过旋转的挤压器，并且在测量室中的用作压差记录仪的活塞布置在旁通管路中。为了确定流量，借助光学传感器测量活塞在测量室中的偏移。基于该信号通过分析和控制单元不断重新调节齿轮泵的转速，确切地说这样地重新调节，即活塞尽可能总是返回其初始位置，使得旁通管路中仅产生小的流动。由通过编码器测得的齿轮泵的转整圈数或非整圈数以及已知的齿轮泵在转一圈的情况下的输送体积计算预定时间间隔内的流量。
在专利文献DE 103 31 228 B3中也公开了这样构造的流量测量器。为了确定准确的喷油量变化走向，在每次喷射开始之前齿轮泵总是设置为不变的转速，以便接着测量活塞的运动并且利用该偏移确定喷射变化走向。在测量室中附加地布置有压力传感器和温度传感器，其测量值也被输送至计算单元用于计算和校正喷油量变化走向。
此外，由专利文献DE 1 773 608 A已知一种流量计，其中，旋转的容积式流量计在高温的情况下也用于测量粘性介质的流量。流量计通过加热套保持高温，同时驱动单元设有冷却肋条。通过传输液进行压差测量，测量液的压力通过膜片向传输液体上传输。附加地，在容积式流量计和其驱动器之间布置被冷却剂流通的管件，用于将容积式流量计相对于其驱动器热分离地布置，这些管道也与压差记录仪接触。
然而没有已知的解决方案，解决如何一方面防止由可能的热的测量流体引起的电子部件过热和另一方面壳体的不期望的升温，以便在测量具有直至200℃的温度的测量流体的通流过程时，在测量期间在容积式流量计的区域内和在压差记录仪的区域内实现尽可能不变的温度值，并且针对过热保护所有组件。
因此，本发明所要解决的技术问题是，提供一种用于测量流体的通流过程的装置，通过所述装置在测量流体的温度较高时也能可靠地长时间地测量通流变化，而不必担心由波动的温度造成的电组件的故障或者测量时的不准确。
上述技术问题通过具有权利要求1的特征的用于测量流体的通流过程的装置实现。
通过在所述流动壳体中构造冷却剂能够穿流的冷却通道，可以直接在被测量流体流通的区域处主动地导出热量，以便能在测量流体具有高温时也可以进行主动的冷却，由此不仅可以使测量室本身保持不变的温度，而且也明显减小向周围敏感的电子组件的热辐射。这导致更好的测量结果和测量设施更长的使用寿命。
在本发明的特别优选的设计方案中，所述装置具有至少一个热管，通过至少一个热管能够将热量从所述装置的发热的构件向流动穿过所述冷却通道的冷却剂传送。这种热管是已知的，其也被称为“Heatpipes”。它们具有管形的密封地封装的容积，其填充有工作介质，所述工作介质小部分以液态、更大的部分以蒸气状态填充所述管的容积。在管中各有一个热传递面用于作为热源的电子构件和作为散热器的被冷却剂穿流的流动壳体。由于电子组件的热量输入，工作介质在热管中开始蒸发，由此局部提升蒸气空间中的压力，这导致热管内部的微小压降。因此，产生的蒸气朝更冷的流动壳体的方向流动，蒸气在那里再次冷凝并且因而将之前吸收的热量向流动壳体中的冷却剂释出。现在液态的工作介质通过毛细管力再朝电子组件的方向返回。流动壳体中的冷却通道因此既用于来自电子组件，如控制板、分析和控制电子器件或电动机上的绕组的热量的散热，也用于被测量液体加热的壳体的散热。
优选地，所述冷却通道的部段围绕挤压室延伸，使得测量流体的热量可以直接在下述位置上导出，即一方面在该位置上进行测量并且另一方面在该位置上存在与热敏的电子组件、如驱动单元的连接。因此可靠地避免了热过载。
在进一步有利的实施方式中，所述冷却通道的围绕所述挤压室延伸的部段构造为在所述流动壳体的指向驱动单元的表面上的槽并且通过所述驱动单元封闭。因此，驱动单元的热负荷被额外地减小，因为驱动单元直接与冷却剂接触并且额外地被热屏蔽，从而也减小了从挤压室向驱动单元的热辐射。
在此特别有利的是，所述驱动单元具有电磁离合器的或者电动机的壳体，所述槽通过所述电磁离合器的或者电动机的壳体封闭。以这种方式使壳体在热力学方面直接地与被冷却的流动壳体相接，由此使得在电动机的定子绕组处或电磁离合器中产生的热量可以经由冷却剂导出。
在特别优选的设计方案中，第一热管沿着所述驱动单元、尤其沿着电动机的定子并沿着控制板延伸至所述流动壳体，由此使得在驱动单元处产生的热量可以从驱动单元的电子单元和从电动机(两者作为热管的热源)通过热管高效地导出。
为此，所述流动壳体具有容纳口，所述热管伸入所述容纳口中，使得热管在流动壳体中可以直接延伸至冷却通道处，从而确保散热器的低温。附加地，简单地插入的热管的安装被简化。
此外有利的是，至少一个热管从所述流动壳体的第一流动壳体部分延伸至电路板，在所述第一流动壳体部分中布置有容积式流量计，所述电路板具有用于探测所述压差记录仪的位置的传感器。以这种方式也把在该电路板处在位置传感器的区域中产生的热量导出，并且以此使得其测量结果不受温度影响。
在有利的实施方式中，所述电路板布置在所述流动壳体的第二流动壳体部分中，所述压差记录仪容纳在所述第二流动壳体部分中并且所述第二流动壳体部分固定在所述第一流动壳体部分上。压差记录仪布置在第二流动壳体部分中，所述第二流动壳体部分相应地也与被冷却的第一流动壳体部分热耦连。
优选地，所述第一流动壳体部分和第二流动壳体部分分别具有第一容纳口和第二容纳口，其中，一个热管从所述第一流动壳体部分的第一容纳口向所述第二流动壳体的第一容纳口中延伸，并且另一热管从所述第一流动壳体部分的第二容纳口向所述第二流动壳体的第二容纳口中延伸。热管额外的固定相应地是不必要的。整个安装通过简单的插装进行。由此以简单的方式实现作为热源的电路板至作为散热器的第一流动壳体部分的连接，并且相应地在即使使用热的测量流体的情况下也保证压差记录仪的区域的充分的散热。
至少一个热管平行于所述电路板延伸，使得热量可以在电路板的整个面上被导出，由此实现特别好的散热和需要较小的结构空间。
在所述第一流动壳体部分的第一侧面上构造有所述冷却通道的冷却剂入口和冷却剂出口，所述冷却剂入口接入入口通道段，并且所述冷却剂出口接入出口通道段，所述入口通道段从所述冷却剂入口朝所述第一流动壳体部分的对置侧面的方向延伸，并且所述出口通道段从所述冷却剂出口朝所述第一流动壳体部分的对置侧面的方向延伸，并且所述入口通道段和出口通道段通过至少一个横向通道段相互连接，由此在安装和制造被简化的同时得到特别有效的冷却。在该设计方案中，整个流动壳体部分均匀地通过冷却剂冷却并且因此可以全部作为散热器。
在进一步的有利的设计方案中，第一横向通道段从入口通道段延伸至所述冷却通道的包围所述挤压室的部段，并且所述冷却通道的包围所述挤压室的部段延伸至第二横向通道段中，所述第二横向通道段接通所述出口通道段。由此保证围绕挤压室的强制流动，并且同时也保证剩余的流动壳体部分的强制的均匀通流。
在此特别优选的是，穿过冷却通道流动的冷却剂量是可调节的，这例如可以通过前置的挡板或阀门或可调节的循环泵实现。冷却剂流的这种调节实现在挤压室中或在压差记录仪的测量室中的温度的准确设置。此外，根据测量介质的工作温度可以进行该冷却剂的量的调节。
因此提供了一种用于测量流体的通流过程的装置，所述装置易于安装并且在温度方面可调节，从而可靠地避免了热敏感构件的过热。这使得装置的使用寿命更长并且主要是在整个使用寿命内使测量结果非常精确，从而在长时间段上也能高度精确地和与测量介质的温度无关地测量分辨时间的通流过程。在此，所述装置易于制造和安装，因此虽然提升了使用寿命，但也不会产生明显的额外成本。
下面根据附图所示的非限制性的实施例说明按照本发明的用于测量流体的通流过程的装置。
图1示出按照本发明的用于测量流体的通流过程的装置的示意图。
图2示出按照本发明的装置的立体外部视图。
图3示出按照本发明的装置的立体外部视图的局部，具有透明地示出的第一流动壳体部分和未安装的外罩。
图4示出具有透视地示出的第二流动壳体部分的立体俯视图的局部。
图5示出从驱动单元的方向观察第一流动壳体部分的立体视图。
图6示出从第二流动壳体部分的方向观察的第一流动壳体部分的立体剖切图。
图1中所示的用于测量流体的通流过程的装置具有通过主管道14相连的入口10和出口12，在主管道14中布置有构造为齿轮泵的旋转的容积式流量计16。
待测量的流体、尤其燃料从产生通流的装置、尤其高压燃料泵和至少一个喷射阀通过入口10流入主管道14，并且通过容积式流量计16输送，容积式流量计16可以由驱动单元18驱动。
在入口10和旋转的容积式流量计16之间从主管道14分支出旁通管路20，旁通管路20在旋转的容积式流量计16的下游在旋转容积式流量计16和出口12之间又接入主管道14，并且相应地如主管道14一样流体地与入口10和出口12相连。线性移动的压差记录仪22布置在旁通管路20中，压差记录仪22由测量室24和在测量室24中轴向可自由移动地布置的活塞26构成，活塞26具有与测量流体、即燃料相同的比重，并且与测量室24一样是柱形地成形的；测量室24因此具有基本与活塞26的外径一致的内径。
通过借助容积式流量计16输送燃料以及通过把燃料向入口10中注入和通过入口10至活塞26的前侧的流体连接以及出口12经由旁通管路20至活塞26的背侧的流体连接，在活塞26的前侧和后侧之间会产生压差，这导致活塞26从其初始位置偏出。活塞26的偏移相应地是存在的压差的量度。
为了能正确确定该偏移，在测量室24处布置有磁阻传感器28，磁阻传感器28与固定在活塞26中的磁体30作用连接，并且通过活塞26的偏移在磁阻传感器28中产生取决于活塞26的偏移的电压。该电压与磁体30的作用在传感器28上的磁场相关，所述磁场由于磁体30的运动而在磁场线的方向和大小方面变化。
传感器28与分析和控制单元32相连，分析和控制单元32处理传感器28的值，并将相应的控制信号传输至驱动马达18，驱动马达18尽可能这样地控制，使得活塞26总是处于确定的初始位置中，也即容积式流量计16通过输送始终基本上平衡由于喷射的流体而在活塞26上产生的压差。为此，借助传递函数把活塞26的偏移量或者说在测量室24中由活塞挤压的体积换算为容积式流量计16的期望的输送体积或者说驱动马达18的转速，并且驱动马达18被相应地通电。
在测量室24中附加地布置压力传感器34，压力传感器34连续地测量在该区域中出现的压力。在主管道14中还布置温度传感器36以测量当前的流体温度。两个测量值再被输送至分析和控制单元32，以便在计算中可以考虑密度的变化。
测量的过程这样地进行，在分析和控制单元32中计算待确定的总流量时，在确定的时间区间内通过活塞26的运动及位置所产生的和由此通过在测量室24中被挤压的体积所产生的旁通管路20中的流量，以及容积式流量计16的实际的流量被考虑，并且两个流量相加用于确定总流量。
在活塞26处的流量例如这样确定，方法是，在与传感器28相连的分析和控制单元32中，活塞26的偏移被微分并接着与活塞26的基面积相乘，以得到在该时间区间内在旁通管路20中的体积流量。
穿过容积式流量计16以及由此在主管道14中的流量可以或者从用于调节容积式流量计16而获得的控制数据中确定，或者若转速直接通过光学编码器或磁阻传感器被测量时通过转速计算。
图2中示出这种按照本发明的用于测量分辨时间的通流过程的装置的外视图。该装置具有两件式制造的流动壳体38，其中，容积式流量计16布置在第一流动壳体部分40中并且压差记录仪22以及入口10和出口12构造在第二流动壳体部分42中。容积式流量计14的驱动单元18以及分析和控制单元32布置在外罩44内，外罩44与第二流动壳体部分42同样固定在第一流动壳体部分40上。此外，在第一流动壳体部分40的上侧面上可见两个开口，两个开口按照本发明用作构造在第一流动壳体部分40内的被冷却剂穿流的冷却通道50的冷却剂入口46和冷却剂出口48。
在图5和图6中可以看到冷却通道50的走向，其中示出第一流动壳体部分40。冷却剂从冷却剂入口46流入垂直于流动壳体部分40的对置侧延伸的入口通道段52，入口通道段52接入垂直于入口通道段52延伸的第一横向通道段54。第一横向通道段54通过连接孔56与冷却通道50的部段58连接，所述部段围绕挤压室60延伸，在挤压室60中布置有容积式流量计16。部段58位于第一流动壳体部分40的指向驱动单元18的侧面上，并且构造为开口的槽61。冷却剂接着通过第二连接孔62流入第二横向通道段64，第二横向通道段64再接入垂直于冷却剂出口48导引的出口通道段66。两个横向通道段54、64都构造为孔并且向外通过未示出的塞子封闭。中断区域68位于两个横向通道段54、64之间，中断区域68迫使围绕挤压室60延伸的部段58发生强制通流。为了确保从冷却剂入口46到冷却剂出口48的强制通流和避免死角，部段58也具有短的中断区域70。
图5中构造的和用作冷却通道50的部段58的槽61如图3所示地由电磁离合器73的壳体72封闭，壳体72借助拧入第一流动壳体部分40的螺纹孔76的螺栓74固定在第一流动壳体部分40上，其间布置有完全包围冷却通道50的部段58的、布置在流动壳体部分40的另外的槽78中的密封件。
壳体72包围电磁离合器73，电磁离合器73的外转子通过电动机80驱动，通过电动机80驱动构造为内齿轮泵的容积式流量计16的挤压轮82。在运行中，电动机80的缠有绕组的定子84，以及平行于电动机80延伸的用于控制电动机80的控制板86(在控制板86上还布置有发热的功率晶体管)向环境发出热量。为了防止外罩44内驱动单元18因此发热，设计为热管的第一热管88在控制板86和电动机80之间沿控制板86和电动机80的延伸方向延伸，直至紧邻第一流动壳体40中的冷却通道50的入口通道段52。为此，在用作热管88的散热器的流动壳体部分40上构造有第一容纳口90，热管88伸入第一容纳口90。由于热管极低的热阻，由驱动单元18并且尤其由控制板86和电动机80的定子84产生的热量经由热管88快速地导出至冷却剂，并且经由冷却剂向外导出，从而可靠地并且在产生热量处就地导出驱动单元18的受热。
图4中示出第一流动壳体部分40和第二流动壳体部分42之间通过螺栓91的连接，螺栓91通过第二流动壳体部分42插入并且拧入第一流动壳体部分40的螺纹孔92中。在透明示出的第二流动壳体部分42上构造有入口10和出口12，入口10和出口12通过未详细示出的流动路径以已知方式与容积式流量计16和同样可见的测量室24相连，测量室24在两侧通过凸缘94封闭。电路板96布置在测量室24下方，电路板96固定在第二流动壳体部分42的下部的盖件97上。传感器28布置在电路板96上，传感器28与压差记录仪22的活塞26中的磁体30对应。
为了能够可靠地导出来自测量室24的由于测量流体的温度而到达传感器28的热量或者由电路板96的电子部件所产生的到达传感器28的热量，所述热量削弱了传感器28的功能，一方面第二流动壳体部分42在被冷却的第一流动壳体部分件40上全面地固定，另一方面经由两个另外的平行延伸的同样设计为热管的热管98、100进行散热。两个热管98、100沿电路板96的延伸方向从第二流动壳体部分42中的相应定向的容纳口102、104平行地延伸进第一流动壳体部分40中的相应成形的、相对于前述两个容纳口102、104对置地布置的容纳口106、108中。相应地通过热管98、100中的液体的蒸发把存在于测量室24中的和电路板96所产生的热量向用作散热器的第一流动壳体部分40的方向导出并且经由在冷却通道中流动的冷却剂导出，结果是热管98、100中的液体再被蒸发并且通过毛细作用再向第二流动壳体部分42的方向输送。因此，大量的热量可以连续地从第二流动壳体部分42输送至第一流动壳体部分40并且可以从第一流动壳体部分40经由冷却通道的冷却剂导出。在此，为了能够在测量室24和容积式流量计16的区域中设定尽可能不变的、但根据测量液体的温度而变化的温度，在冷却通道50中冷却剂的体积流是可设置的，这或者通过可调节的泵进行，或通过相应的活板或阀门形式的调节元件进行。
这种用于测量流体的通流过程的装置以高精度运行，并连续地提供分辨时间的测量结果。由于壳体部件和电子部件都散热良好，因此可以为直至200℃的测量液体温度保证上述优点，因为热敏感的构件通过由热管和冷却通道的冷却可靠地被保护避免过热。相应地，电子设备和电动机的使用寿命增加。尽管实现了现在的冷却，但制造和安装仍然保持简单。尤其不需要可能发生泄漏的较长的冷却盘管。相反，冷却通道构造为仅在一个必须进行相应加工的壳体部中的可简单制成的孔和槽。而且，通过使用热管可以把大量热量可靠地且在产生热量处就地导出。被测量液体加热的壳体本身以及壳体上存在的密封件也被相应地保护，因为它们的热量被导出。
应该清楚，本发明不限于所述实施例，而是可以在独立权利要求的保护范围内进行各种修改。因此通道的布置和壳体划分也可以被改变，容积式流量计的设计也可以被设计为例如作为双齿轮泵或叶片泵。也可以以相应的方式布置额外的热管用于冷却所述装置的分析单元。

Claims (13)

1.一种用于测量流体的通流过程的装置，所述装置具有
入口(10)、
出口(12)、
流动壳体(38)，流体在所述流动壳体中流动、
布置在所述流动壳体(38)中的可驱动的容积式流量计(16)、
旁通管路(20)，通过所述旁通管路能够绕过所述容积式流量计(16)、
布置在所述旁通管路(20)中并且布置在所述流动壳体(38)中的压差记录仪(22)、以及
分析和控制单元(32)，根据在所述压差记录仪(22)处存在的压差，能够通过所述分析和控制单元调节可驱动的容积式流量计(16)，
其特征在于，在所述流动壳体(38)中构造冷却剂能够穿流的冷却通道(50)，其中，所述冷却通道(50)的部段(58)围绕容积式流量计(16)的挤压室(60)延伸并且所述冷却通道(50)的围绕所述挤压室(60)延伸的部段(58)构造为在所述流动壳体(38)的指向驱动单元(18)的表面上的槽(61)并且通过所述驱动单元(18)封闭。
2.按照权利要求1所述的用于测量流体的通流过程的装置，
其特征在于，
所述装置具有至少一个热管(88、98、100)，通过至少一个热管能够将热量从所述装置的发热的构件(32、84、86、96)向流动穿过所述冷却通道(50)的冷却剂传送。
3.按照权利要求1所述的用于测量流体的通流过程的装置，
其特征在于，
所述驱动单元(18)具有电磁离合器(73)的或者电动机(80)的壳体(72)，所述槽(61)通过所述电磁离合器(73)的或者电动机(80)的壳体(72)封闭。
4.按照权利要求1至3之一所述的用于测量流体的通流过程的装置，
其特征在于，
热管(88)沿着所述驱动单元(18)延伸至所述流动壳体(38)。
5.按照权利要求4所述的用于测量流体的通流过程的装置，
其特征在于，
所述热管(88)至少沿电动机(80)的定子(84)并且沿控制板(86)延伸。
6.按照权利要求4所述的用于测量流体的通流过程的装置，
其特征在于，
所述流动壳体(38)具有容纳口(90)，所述热管(88)伸入所述容纳口中。
7.按照权利要求1至3之一所述的用于测量流体的通流过程的装置，
其特征在于，
至少一个热管(98)从所述流动壳体(38)的第一流动壳体部分(40)延伸至电路板(96)，在所述第一流动壳体部分(40)中布置有容积式流量计(16)，所述电路板(96)具有用于探测所述压差记录仪(22)的位置的传感器(28)。
8.按照权利要求7所述的用于测量流体的通流过程的装置，
其特征在于，
所述电路板(96)布置在所述流动壳体(38)的第二流动壳体部分(42)中，所述压差记录仪(22)容纳在所述第二流动壳体部分中并且所述第二流动壳体部分固定在所述第一流动壳体部分(40)上。
9.按照权利要求8所述的用于测量流体的通流过程的装置，
其特征在于，
所述第一流动壳体部分(40)和第二流动壳体部分(42)分别具有第一容纳口(102、106)和第二容纳口(104、108)，其中，一个热管(98)从所述第一流动壳体部分(40)的第一容纳口(106)向所述第二流动壳体(42)的第一容纳口(102)中延伸，并且另一热管(100)从所述第一流动壳体部分(40)的第二容纳口(108)向所述第二流动壳体(42)的第二容纳口(104)中延伸。
10.按照权利要求7所述的用于测量流体的通流过程的装置，
其特征在于，
至少一个热管(98、100)平行于所述电路板(96)延伸。
11.按照权利要求7所述的用于测量流体的通流过程的装置，
其特征在于，
在所述第一流动壳体部分(40)的第一侧面上构造有所述冷却通道(50)的冷却剂入口(46)和冷却剂出口(48)，所述冷却剂入口接入入口通道段(52)，并且所述冷却剂出口接入出口通道段(66)，所述入口通道段从所述冷却剂入口(46)朝所述第一流动壳体部分(40)的对置侧面的方向延伸，并且所述出口通道段从所述冷却剂出口(48)朝所述第一流动壳体部分(40)的对置侧面的方向延伸，并且所述入口通道段和出口通道段通过至少一个横向通道段(54、64)相互连接。
12.按照权利要求11所述的用于测量流体的通流过程的装置，
其特征在于，
第一横向通道段(54)从入口通道段(52)延伸至所述冷却通道(50)的包围所述挤压室(60)的部段(58)，并且所述冷却通道(50)的包围所述挤压室(60)的部段(58)延伸至第二横向通道段(64)中，所述第二横向通道段接通所述出口通道段(66)。
13.按照权利要求1至3之一所述的用于测量流体的通流过程的装置，
其特征在于，
穿过所述冷却通道(50)流动的冷却剂量是可调节的。
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