DE102013221744A1

DE102013221744A1 - Pumpe, insbesondere zum Fördern von flüssigem Brennstoff für ein Fahrzeugheizgerät

Info

Publication number: DE102013221744A1
Application number: DE201310221744
Authority: DE
Inventors: Michael Humburg
Original assignee: Eberspaecher Climate Control Systems GmbH and Co KG
Current assignee: Eberspaecher Climate Control Systems GmbH and Co KG
Priority date: 2013-10-25
Filing date: 2013-10-25
Publication date: 2015-04-30
Anticipated expiration: 2033-10-26
Also published as: CN104564624B; RU2593870C2; CN104564624A; US20150118077A1; US10428808B2; RU2014143035A; DE102013221744B4

Abstract

Eine Pumpe, insbesondere zum Fördern von flüssigem Brennstoff für ein Fahrzeugheizgerät, umfasst einen eine Pumpenkammer (14) bereitstellenden Pumpenkörper (12), wobei der Pumpenkörper (12) wenigstens bereichsweise mit magnetischem Formgedächtnismaterial aufgebaut ist, ferner umfassend eine Felderzeugungsanordnung (44) zur Erzeugung eines Magnetfeldes (M), wobei das magnetische Formgedächtnismaterial des Pumpenkörpers (12) durch Erzeugung eines Magnetfeldes (M) durch die Felderzeugungsanordnung (44) aus einem Grundzustand in einen Verformungszustand bringbar ist und wobei ein Pumpenkammervolumen im Verformungszustand sich von dem Pumpenkammervolumen im Grundzustand unterscheidet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Pumpe, die in besonders vorteilhafter Weise eingesetzt werden kann, um bei brennstoffbetriebenen Fahrzeugheizgeräten flüssigen Brennstoff aus einem Brennstoffreservoir in Richtung zu einer Brennkammer zu fördern. Derartige Pumpen sind im Allgemeinen mit einer Pumpenkammer aufgebaut, in welcher im Förderbetrieb intermittierend flüssiger Brennstoff aufgenommen und dann wieder ausgestoßen wird. Dabei kann zum Erzeugen des erforderlichen Unterdrucks zur Aufnahme von flüssigem Brennstoff, ebenso wie zum Ausstoßen von Brennstoff aus der Pumpenkammer ein Kolben hin und her bewegt werden, so dass bei jedem Kolbenhub ein definiertes Flüssigkeitsvolumen gefördert wird und somit die zu fördernde Flüssigkeit in entsprechend genau dosierter Menge abgegeben werden kann.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Pumpe, insbesondere zum Fördern von flüssigem Brennstoff für ein Fahrzeugheizgerät, vorzusehen, bei welcher bei baulich einfacher Ausgestaltung und hoher Betriebssicherheit die Förderung auch kleiner Fluidvolumina mit hoher Dosierungspräzision möglich ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Pumpe, insbesondere zum Fördern von flüssigem Brennstoff für ein Fahrzeugheizgerät, umfassend einen eine Pumpenkammer bereitstellenden Pumpenkörper, wobei der Pumpenkörper wenigstens bereichsweise mit magnetischem Formgedächtnismaterial aufgebaut ist, ferner umfassend eine Felderzeugungsanordnung zur Erzeugung eines Magnetfeldes, wobei das magnetische Formgedächtnismaterial des Pumpenkörpers durch Erzeugung eines Magnetfeldes durch die Felderzeugungsanordnung aus einem Grundzustand in einen Verformungszustand bringbar ist und wobei ein Pumpenkammervolumen im Verformungszustand sich von dem Pumpenkammervolumen im Grundzustand unterscheidet.
Die vorliegende Erfindung nutzt den Effekt, dass durch Erzeugung eines Magnetfeldes das magnetische Formgedächtnismaterial des Pumpenkörpers seine Form und damit einhergehend das Volumen der Pumpenkammer verändert. Somit kann bei entsprechend intermittierender Erzeugung eines Magnetfeldes das Pumpenkammervolumen alternierend vergrößert und verkleinert werden, um einerseits in einem Ansaugtakt oder Aufnahmetakt zu fördernde Flüssigkeit in der Pumpenkammer aufzunehmen und andererseits in einem Ausstoßtakt diese Flüssigkeit aus der Pumpenkammer in Richtung zu dem zu speisenden System abzugeben. Es ist kein mit einem Pumpenkolben oder dergleichen zu vergleichendes Bauteil erforderlich, das in einer Pumpenkammer hin und her bewegt werden müsste und dabei fluiddicht abzudichten ist, um Leckageströme zu vermeiden. Da die durch Erzeugung eines Magnetfeldes erreichbare Formveränderung des magnetischen Formgedächtnismaterials mit sehr hoher Präzision reproduzierbar ist, kann in entsprechender Weise die Menge die von einer derartigen Pumpe geförderte Flüssigkeit mit hoher Präzision dosiert werden.
Vorteilhafterweise ist das Pumpenkammervolumen im Verformungszustand kleiner als im Grundzustand. Beispielsweise kann der Pumpenkörper im Wesentlichen rohrartig ausgebildet sein, also im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet sein. Dabei kann der Pumpenkörper im Grundzustand eine im Wesentlichen kreisartige Innenquerschnittsgeometrie aufweisen. Eine kreisartge Innenquerschnittsgeometrie bedeutet, dass in diesem Zustand das Pumpenkammervolumen maximal ist und beim Übergang in den jeweils anderen Zustand, beispielsweise bei Erzeugung einer abgeflachten, elliptischen Querschnittsgeometrie, eine Verringerung des Pumpenkammervolumens erzeugt wird.
Um bei der Veränderung des Pumpenkammervolumens eine definierte Strömungsrichtung der zu fördernden Flüssigkeit vorgeben zu können, wird vorgeschlagen, dass ein zu der Pumpenkammer führendes Einlassventil und ein aus der Pumpenkammer führendes Auslassventil vorgesehen sind. Dabei kann bei einer keine zusätzlichen Ansteuerungsmaßnahmen erfordernden vorteilhaften Ausgestaltung vorgesehen sein, dass das Einlassventil oder/und das Auslassventil ein Rückschlagventil umfasst.
Um die Rückverformung des Pumpenkörpers in seinen bei nicht vorhandenem Magnetfeld vorliegenden Grundzustand zu unterstützen bzw. zu erreichen, wird weiter vorgeschlagen, dass dem Pumpenkörper eine Rückstellanordnung zur Rückstellung des Pumpenkörpers in seinen Grundzustand zugeordnet ist. Diese Rückstellanordnung kann beispielsweise dann aktiv werden, wenn die Erzeugung eines Magnetfeldes durch die Felderzeugungsanordnung eingestellt wird und somit kein den Pumpenkörper in Richtung zu seinem Verformungszustand beaufschlagendes bzw. verformendes Feld mehr existiert. Beispielsweise kann die Rückstellanordnung eine Vorspannanordnung zum Vorspannen des Pumpenkörpers vorzugsweise vermittels einer Vorspannfeder in seinen Grundzustand umfassen.
Um bei dem erfindungsgemäßen Aufbau Information über die im Zusammenhang mit der Verformung des Pumpenkörpers stehende Veränderung des Volumens der Pumpenkammer zu erlangen, wird vorgeschlagen, dass eine Verformungserfassungsanordnung zur Erzeugung von die Verformung des Pumpenkörpers repräsentierender Information vorgesehen ist. Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung, welche den Effekt ausnutzt, dass bei magnetischem Formgedächtnismaterial dessel elektrischer Widerstand sich abhängig vom Verformungszustand ändert, wird vorgeschlagen, dass die Verformungserfassungsanordnung die die Verformung repräsentierende Information auf Grundlage eines elektrischen Widerstandes des Pumpenkörpers erzeugt.
Der Pumpenkörper kann in vorteilhafter Weise mit NiMnGa-Legierungsmaterial aufgebaut sein.
Die Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die beiliegenden Figuren detailliert beschrieben. Es zeigt:
1 eine Schnittansicht einer Pumpe mit einem Pumpenkörper aus magnetischem Formgedächtnismaterial in einem Zustand ohne Magnetfeld;
2 eine der 1 entsprechende Darstellung in einem Zustand mit Magnetfeld;
3 in ihren Darstellungen a) und b) eine Querschnittsansicht eines Pumpenkörpers der in der 1 in einem Zustand ohne Magnetfeld und einem Zustand mit Magnetfeld.
In 1 ist eine Pumpe, die beispielsweise zum Fördern von flüssigem Brennstoff in einem Fahrzeugheizgerät eingesetzt werden kann, allgemein mit 10 bezeichnet. Die Pumpe 10 umfasst einen Pumpenkörper 12, der eine allgemein rohrartige Gestalt, beispielsweise zylindrische Gestalt mit kreisrundem Querschnitt, aufweist. In dem Pumpenkörper 12 ist eine Pumpenkammer 14 gebildet, in welcher in einem Ansaug- bzw. Aufnahmetakt zu fördernde Flüssigkeit aufgenommen und aus welcher in einem Ausstoßtakt zu fördernde Flüssigkeit ausgestoßen wird.
An einem in der 1 links dargestellten Endbereich 16 des Pumpenkörpers 12 ist ein Einlassventil 18 in den Pumpenkörper 12 eingesetzt und daran vorteilhafterweise fluiddicht festgelegt. An dem in 1 rechts dargestellten Endbereich 20 ist ein Auslassventil 22 in den Pumpenkörper 12 eingesetzt und daran vorteilhafterweise fluiddicht festgelegt. Das Einlassventil 18 und das Auslassventil 22 sind als Rückschlagventile ausgebildet und umfassen einen Ventilkörper 24 bzw. 26 mit einem darin gebildeten Ventilsitz 28 bzw. 30. Ein beispielsweise als Kugel ausgebildetes Ventilorgan 32 bzw. 34 ist durch eine jeweilige Vorspannfeder 36 bzw. 38 gegen den Ventilsitz 28 bzw. 30 vorgespannt und schließt somit im Falle des Einlassventils 18 einen Einlasskanal 40 und im Falle des Auslassventils 22 einen Auslasskanal 42 ab.
Den Pumpenkörper 12 umgebend bzw. in dessen Umgebung ist eine allgemein mit 44 bezeichnete Magnetfelderzeugungsanordnung vorgesehen. Diese kann eine bzw. mehrere elektrisch erregbare Spulen 46 umfassen, welche zur Erzeugung eines in der 2 dargestellten Magnetfeldes M elektrisch erregt werden können.
Der rohrartig, vorteilhafterweise in zylindrischer Ausgestaltung aufgebaute Pumpenkörper 12 ist zumindest bereichsweise, vorzugsweise vollständig aus magnetischem Formgedächtnismaterial aufgebaut. Hierfür kann beispielsweise eine NiMnGa-Legierung eingesetzt werden. Derartiges magnetisches Formgedächtnismaterial kann durch Erzeugung eines Magnetfeldes aus einem Grundzustand in einen Verformungszustand überführt werden. Wird beispielsweise, wie der Vergleich der 1 und 2 dies zeigt, ausgehend von dem in 1 und auch 3a) dargestellten Grundzustand mit im Wesentlichen kreisrunder Innenquerschnittsgeometrie des Pumpenkörpers 12 das Magnetfeld M erzeugt, führt dies zu einer Verformung des Pumpenkörpers 12 derart, dass beispielsweise dort, wo das Magnetfeld M auf diesen einwirkt, eine im Wesentlichen elliptische Querschnittsgeometrie erreicht wird, wie dies in 3b) bzw. auch in 2 erkennbar ist. Dabei ist die durch das Magnetfeld M generierte Verformung des Pumpenkörpers 12 dort maximal, wo das Magnetfeld M im Wesentlichen orthogonal zu der Wandung 13 des Pumpenkörpers 12 steht, also in 3b im mittleren Bereich. In den Randbereichen, also dort, wo das Magnetfeld M im Wesentlichen tangential bezüglich der Wandung 13 des Pumpenkörpers 12 verläuft, ist die durch das Magnetfeld M hervorgerufene Verformung des magnetischen Formgedächtnismaterials minimal. Die durch das Magnetfeld M hervorgerufene Verformung, in diesem Falle also Abflachung des Pumpenkörpers 12 in seinem durch das Magnetfeld M beaufschlagten Bereich, führt gleichzeitig auch zu einer Längenausdehnung des Pumpenkörpers 12 in Richtung seiner in 1 auch erkennbaren Längsachse L. Das Ausmaß der Verformung des Pumpenkörpers 12 durch das Magnetfeld M, also auch das Ausmaß der Änderung des Volumens der im Pumpenkörper 12 gebildelten Pumpenkammer 14 ist dabei abhängig von der Stärke der Magnetfeldes M. Je größer die Feldstärke des Magnetfeldes M, desto größer die dadurch hervorgerufene Formveränderung und damit auch die Veränderung des Pumpenkammervolumens.
Der Übergang von dem Zustand mit kreisrunder Innenquerschnittsgeometrie zu einem Zustand mit elliptischer Innenquerschnittsgeometrie führt zu einer Verringerung des Volumens der Pumpenkammer 14. Ist die Pumpenkammer 14 zuvor in dem in 3a) dargestellten Grundzustand mit Flüssigkeit gefüllt, hat der Übergang zu dem in 3b) dargestellten abgeflachten Verformungszustand mit geringerem Pumpenkammervolumen zur Folge, dass in der Pumpenkammer 14 vorhandene Flüssigkeit unter Druck gesetzt wird und unter Überwindung der Vorspannkraft der Ventilfeder 38 über das Auslassventil 22 eine der Änderung des Pumpenkammervolumens entsprechende Menge der Flüssigkeit ausgestoßen wird. Zur Beendigung eines derartigen Ausstoßtaktes wird die Erzeugung des Magnetfelds M durch die Magnetfelderzeugungsanordnung 44 beendet.
Um den Pumpenkörper 12 in einen Grundzustand zurückzubringen, kann entweder ein Magnetfeld M' mit anderer Orientierung, beispielsweise in 3 orthogonal zum Magnetfeld M, erzeugt werden, was eine entsprechende Rückverformung des Pumpenkörpers 12 bewirkt. Hierzu kann die Magnetfelderzeugungsanordnung 44 eine oder mehrere weitere in den Figuren nicht dargestellte Spulen umfassen, die so positioniert sind, dass ein Magnetfeld M' mit entsprechend anderer Magnetfeldorientierung erzeugt werden kann. Die durch das Magnetfeld M' hervorgerufene Formänderung des Pumpenkörpers 12 unterliegt wieder den gleichen Vorgaben, nämlich dass dort, wo das Magnetfeld M' im Wesentlichen orthogonal zur Wandung 13 des Pumpenkörpers 12 steht, eine maximale Verformung generiert wird, während dort, wo das Magnetfeld M' im Wesentlichen tangential zur Wandung 13 des Pumpenkörpers 12 verläuft, eine minimale Formänderung hervorgerufen wird. Das Magnetfeld M' wird daher im Wesentlichen eine derartige Verformung des Pumpenkörpers 12 generieren, dass dieser in einen in 3b) mit Strichlinie angedeuteten anderen Verformungszustand gelangt, in welchem der Pumpenkörper 12 in demjenigen Bereich, in welchem er durch das Magnetfeld M' beaufschlagt wird, ebenfalls eine im Wesentlichen elliptische Querschnittsgeometrie, hier jedoch mit anderer Orientierung der großen Halbachsen aufweisen wird. Bei derartiger Erzeugung der Verformung des Pumpenkörpers 12 durch zwei beispielsweise orthogonal zueinander orientierte Magnetfelder M, M' und alternierender Beaufschlagung durch diese beiden Magnetfelder M, M' findet also eine alternierende Umverforrung zwischen zwei Verformungszuständen statt, von welchen einer im Sinne der vorliegenden Erfindung als Grundzustand betrachtet werden kann, und der andere als Verformungszustand. Um dabei den Effekt einer Veränderung des Pumpenkammervolumens nutzen zu können, weisen vorteilhafterweise die Magnetfelder M, M' unterschiedliche Feldstärken auf, so dass die in einem der beiden Zustände hervorgerufene Verformung zu einem Pumpenkammervolumen füllt, das sich tatsächlich von der Verformung und damit auch dem Pumpenkammervolumen im anderen Zustand unterscheidet.
Alternativ oder zusätzlich kann die Rückverformung des Pumpenkörpers 12 in seinen in 3a) dargestellten Grundzustand durch eine in 2 gezeigte Vorspannanordnung 48 erreicht werden. Diese umfasst eine Vorspannfeder 50, die an einem Gehäuse 50 einerseits und dem Endbereich 16 des Pumpenkörpers 12 andererseits abgestützt ist und somit eine axiale Last orientiert in Richtung der Längsachse L des Pumpenkörpers 12 auf diesen ausübt. Dabei ist das Einlassventil 18 am Endbereich 16 des Pumpenkörpers 12 fluiddicht festgelegt, z. B. durch Verklebung, und ist bezüglich des Gehäuses 52 verschiebbar. Das Gehäuse 52 kann zum Bereitstellen eines Widerlagers den anderen Endbereich 20 des Pumpenkörpers axial abstützen. In diesem Bereich kann das Gehäuse 52 fest mit dem Pumpenkörper 12 oder/und dem in diesem z. B. durch Verlebung fluiddicht festgelegten Auslassventil 22 verbunden sein. Die Feder 50 wirkt der bei Erzeugung des Magnetfeldes M hervorgerufenen Längenausdehnung des Pumpenkörpers 12 entgegen, belastet diesen also zurück in einen Zustand mit geringerer Ausdehnung in Richtung seiner Längsachse L, was bei nicht erzeugtem Magnetfeld M bewirkt, dass der Pumpenkörper 12 in seinen in 3a) dargestellten Grundzustand zurückverformt wird.
Mit dem erfindungsgemäßen Aufbau einer Dosierpumpe, welche die durch Anlegen eines Magnetfeldes hervorgerufene Verformung von magnetischem Formgedächtnismaterial zur Erzeugung einer Änderung des Volumens einer Pumpenkammer nutzt, wird es möglich, die zu fördernde Flüssigkeitsmenge exakt zu bestimmen. Hierzu könnte so vorgegangen werden, dass für jeden Arbeitstakt zur Verformung aus dem Grundzustand und zur Verformung in den Grundzustand ein definiert vorgegebenes Magnetfeld bzw. eine definiert vorgegebene mechanische Belastung genutzt wird, so dass in jedem Arbeitstakt exakt die gleiche Menge von Flüssigkeit in der Pumpenkammer 14 aufgenommen und aus dieser auch wieder ausgestoßen wird. Grundsätzlich könnte zur Veränderung der Stärke der Verformung des Pumpenkörpers 12 auch die Stärke des Magnetfelds M und selbstverständlich auch die Stärke eines zurück verformenden Magnetfelds bzw. einer zurück verformenden mechanischen Belastung variiert werden, so dass bei den aufeinander folgend durchzuführenden Arbeitstakten grundsätzlich auch unterschiedliche Flüssigkeitsvolumina gefördert werden können.
Um das Ausmaß der Verformung des Pumpenkörpers 12 zu erfassen, kann eine in 1 prinzipartig angedeutete Verformungserfassungsanordnung 54 vorgesehen sein. Diese kann beispielsweise so aufgebaut sein, dass sie den elektrischen Widerstand des Aufbaumaterials des Pumpenkörpers 12 insbesondere in demjenigen Bereich, in welchem das Magnetfeld M zu dessen Verformung führt, misst. Der elektrische Widerstand des magnetischen Formgedächtnismaterials, mit welchem der Pumpenkörper 12 aufgebaut ist, ändert sich in Abhängigkeit von der durch das Magnetfeld M hervorgerufenen Formänderung des Pumpenkörpers 12 und ist somit ein direkter Indikator für die mit einer derartigen Verformung einhergehenden Änderung des Volumens der Pumpenkammer 14. Durch Erfassung dieses elektrischen Widerstands wird also Information bereitgestellt, welche unmittelbar die bei jedem Arbeitstakt hervorgerufene Änderung des Pumpenkammervolumens 14 und damit auch das Volumen der aus dieser ausgestoßenen Flüssigkeit wiedergibt. Diese Information kann beispielsweise in einer Regelschleife genutzt werden, um im Heizbetrieb eines Fahrzeugheizgeräts sicherzustellen, dass tatsächlich die erforderliche Brennstoffmenge in Richtung zu einem Brennerbereich eines Fahrzeugheizgeräts geleitet wird.

Claims

Pumpe, insbesondere zum Fördern von flüssigem Brennstoff für ein Fahrzeugheizgerät, umfassend einen eine Pumpenkammer (14) bereitstellenden Pumpenkörper (12), wobei der Pumpenkörper (12) wenigstens bereichsweise mit magnetischem Formgedächtnismaterial aufgebaut ist, ferner umfassend eine Felderzeugungsanordnung (44) zur Erzeugung eines Magnetfeldes (M), wobei das magnetische Formgedächtnismaterial des Pumpenkörpers (12) durch Erzeugung eines Magnetfeldes (M) durch die Felderzeugungsanordnung (44) aus einem Grundzustand in einen Verformungszustand bringbar ist und wobei ein Pumpenkammervolumen im Verformungszustand sich von dem Pumpenkammervolumen im Grundzustand unterscheidet.
Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Pumpenkammervolumen im Verformungszustand kleiner ist als im Grundzustand.
Pumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Pumpenkörper (12) im Wesentlichen rohrartig ausgebildet ist.
Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Pumpenkörper (12) im Grundzustand eine im Wesentlichen kreisartige Innenquerschnittsgeometrie aufweist.
Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein zu der Pumpenkammer (14) führendes Einlassventil (18) und ein aus der Pumpenkammer (14) führendes Auslassventil (22) vorgesehen sind.
Pumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlassventil (18) oder/und das Auslassventil (22) ein Rückschlagventil umfasst.
Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass dem Pumpenkörper (12) eine Rückstellanordnung (48) zum Rückstellen des Pumpenkörpers (12) in seinen Grundzustand zugeordnet ist.
Pumpe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückstellanordnung (48) eine Vorspannanordnung (48) zum Vorspannen des Pumpenkörpers (12) vorzugsweise vermittels einer Vorspannfeder (50) in seinen Grundzustand umfasst.
Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verformungserfassungsanordnung (54) zur Erzeugung von die Verformung des Pumpenkörpers (12) repräsentierender Information vorgesehen ist.
Pumpe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verformungserfassungsanordnung (54) die die Verformung repräsentierende Information auf Grundlage eines elektrischen Widerstandes des Pumpenkörpers (12) erzeugt.
Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Pumpenkörper (12) wenigstens bereichsweise mit NiMnGa-Legierungsmaterial aufgebaut ist.