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Die Erfindung betrifft eine neuartige Membranpumpe, die insbesondere als Rücksaugpumpe in einem Fördermodul zur Förderung eines Abgas-Reduktionsmittels einsetzbar ist.
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Stand der Technik
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Zur Entstickung der Abgase von Dieselmotoren hat sich die SCR-Technik („selective catalytic reduction“) mit einem harnstoffhaltigen Reduktionsmittel bewährt. Dazu wurden Systeme entwickelt, die die Einhaltung der geforderten Abgasgrenzwerte mit Hilfe einer definierten Zugabe einer wässrigen Harnstofflösung („AdBlue“) in den Abgasstrang durch einen anschließenden SCR-Katalysator ermöglichen. Diese Systeme umfassen im Wesentlichen einen Tank für die Harnstofflösung, ein Fördermodul mit eine Filter- und Pumpeneinheit, ein Dosiermodul und ein elektronisches Steuergerät.
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Ein solches Dosiermodul muss im abgestellten Zustand vollständig entleert und vor Wiederbefüllung geschützt sein, um bei einem möglichen Einfrieren des Reduktionsmittels nicht durch den dabei entstehenden Eisdruck beschädigt zu werden. Aktuell wird dies mittels einer Rücksaugpumpeneinheit realisiert, die durch einen Hubmagneten angetrieben wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die mit einem derartigen Hubmagneten verbundenen Nachteile zu vermeiden und insbesondere eine geräuscharm arbeitende Rücksaugpumpeneinheit bereitzustellen, die ein möglichst hohes und konstantes Fördervolumen mit geringen Toleranzen aufweist.
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Eine erfindungsgemäße Membranpumpe hat eine elastische Membran und einen Antrieb, der ausgebildet ist, die Membran im Betrieb zu bewegen. Dabei umfasst der Antrieb einen Schrittmotor.
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Die Erfindung umfasst auch ein Verfahren zum Fördern eines Fluids, wobei das Verfahren umfasst, einen Schrittmotor zu betätigen, um eine elastische Membran so zu bewegen, dass sie eine pumpende Bewegung ausführt.
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Eine erfindungsgemäße Membranpumpe kann mit einer erheblich größeren Fördermenge und deutlich geringeren Toleranzen als eine konventionelle Hubmagnet-Förderpumpe realisiert werden, bei der aufgrund des vom Steuergerät begrenzten Ansteuerungsstromes und der auftretenden Bauteiltoleranzen der Maximalhub (Restluftspalt des Hubmagnetes) nicht beliebig groß ausgeführt werden kann, da ansonsten nicht mehr genug Leistung zur Verfügung steht, um die Rücksaugmembran anzuheben, wodurch die Rücksaugmenge begrenzt ist und die Unterschiede in der Fördermenge aufgrund der Bauteiltoleranzen und des geringen Hubes sehr hoch sind. Da eine erfindungsgemäße Membranpumpe im Gegensatz zu einer konventioneller Hubmagnet-Förderpumpe keinen mechanischen Anschlag aufweist, wird die Geräuschentwicklung erheblich reduziert.
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In einer Ausführungsform umfasst die Membranpumpe einen Kopplungsmechanismus, der den Schrittmotor mit der Membran koppelt und ausgebildet ist, eine Drehbewegung des Schrittmotors in eine Hubbewegung der Membran umzuwandeln. Auf diese Weise kann auch mit einem Schrittmotor, der eine Rotation ausgibt, eine effektive Hubbewegung der Membran erzeugt werden.
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In einer Ausführungsform weist der Kopplungsmechanismus ein Kopplungselement auf, das mechanisch mit der Membran verbunden ist, und ein erstes Gewinde aufweist, das im Eingriff mit einem zweiten Gewinde ist, das an einer Ausgangswelle des Schrittmotors ausgebildet ist. Ein mit einem Gewinde ausgebildetes Kopplungselement stellt eine besonders effektive Kopplung zur Verfügung, die nur geringe Toleranzen aufweist und daher eine besonders konstante Fördermenge ermöglicht.
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In einer Ausführungsform ist das Kopplungselement im Wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildet, und das erste Gewinde ist entlang der Rotationssymmetrieachse des Kopplungselements ausgerichtet. Ein derartiges Kopplungselement ist besonders effektiv mit einem Schrittmotor koppelbar.
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In einer Ausführungsform umfasst das Kopplungselement einen metallischen Körper. Ein metallischer Körper stellt ein besonders haltbares und zuverlässiges Kopplungselement zur Verfügung.
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In einer Ausführungsform umfasst das Kopplungselement einen Körper, der wenigstens teilweise von der Membran umspritzt ist. Durch Umspritzen kann eine besonders intensive und haltbare Verbindung zwischen dem Kopplungselement und der Membran geschaffen werden.
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In einer Ausführungsform ist der Schrittmotor ein Mikroschrittmotor. Durch Verwendung eines Mikroschrittmotors kann die Fördermenge besonders exakt dosiert werden.
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Die Erfindung umfasst auch ein Fördermodul zur Förderung eines Abgas-Reduktionsmittels, das eine Membranpumpe nach einem der vorangehenden Ansprüche umfasst. Dabei ist die Membranpumpe insbesondere als Rücksaugpumpe ausgebildet. Auf diese Weise kann das Reduktionsmittel besonders effektiv aus dem Fördermodul entfernt werden, um eine Beschädigung des Fördermoduls durch gefrierendes Reduktionsmittel zu verhindern.
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Figurenbeschreibung
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Die Figur zeigt eine schematische Schnittansicht eines Bereichs eines Fördermoduls 2 mit einer erfindungsgemäßen Membranpumpe.
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Die Membranpumpe umfasst eine Grundplatte 14, die im Wesentlichen rotationssymmetrisch um eine senkrecht durch die Figur verlaufende Achse A ausgebildet ist. Im Zentrum der Grundplatte 14 ist parallel zur Achse A eine Bohrung 15 ausgebildet, welche eine erste, in der Figur oben dargestellte, Seite der Grundplatte 14 mit einer zweiten, in der Figur unten dargestellten, Seite der Grundplatte 14 verbindet. Um die Bohrung 15 ist auf der ersten Seite der Grundplatte 14 eine im Wesentlichen um die Achse A bzw. um die Bohrung 15 rotationssymmetrische Vertiefung 17 ausgebildet, die von einem von der Grundplatte hervorstehenden Rand 19, der ebenfalls im Wesentlichen rotationssymmetrisch um die Achse A ausgebildet ist, begrenzt wird. In radialer Richtung außerhalb des hervorstehenden Randes 19 ist eine weitere rotationssymmetrische Vertiefung 21 ausgebildet, in der der im Wesentlichen kreisförmige Umfang 13 einer im Wesentlichen rotationssymmetrischen flexiblen Membran 12 fixiert ist. Die flexible Membran 12 überspannt mit ihrem mittleren Bereich 11 die Vertiefung 17, so dass die Grundplatte 14 und die elastische Membran 12 ein Fördervolumen begrenzen, dessen Volumeninhalt durch Bewegen der Membran 12 in Richtung der Achse A variierbar ist.
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Der mittlere Bereich 11 der Membran 12 ist auf der von der Grundplatte 14 abgewandten Seite mechanisch derart mit einem ebenfalls im Wesentlichen rotationssymmetrisch um die Achse A ausgebildeten Kopplungselement 8 verbunden, dass der mittlere Bereich 11 der Membran 12 durch Verschieben des Kopplungselements 8 parallel zur Achse A bewegbar ist. Der mittlere Bereich 11 der Membran 12 kann insbesondere um einen der Grundplatte 14 zugewandten, in der Figur unten dargestellten, Bereich des Kopplungselements 8 gespritzt sein und so eine formschlüssige Verbindung zwischen der Membran 12 und dem der Grundplatte 14 zugewandten Bereich des Kopplungselements 8 schaffen.
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Das Kopplungselement 8 weist auf seiner von der Membran 12 abgewandten, in der Figur oben dargestellten, Seite in seinem mittleren Bereich um die Achse A ein Bohrung 10 auf, die mit einem Innengewinde 9 versehen ist.
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In die Bohrung 10 ist ein mit einem Außengewinde versehener Gewindestift 6 derart eingeführt, dass das Außengewinde des Gewindestiftes 6 mit dem Innengewinde 9 in der Bohrung 10 des Kopplungselements 8 im Eingriff steht.
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Der Gewindestift 6 ist Teil einer Ausgangswelle eines Schrittmotors 4 oder mit einer solchen Ausgangswelle verbunden. Der Schrittmotor 4 ist auf der ersten Seite der Grundplatte 14 angeordnet, so dass die Membran 12 zwischen dem Schrittmotor 4 und der Grundplatte 14 angeordnet ist, und weist auf seiner der Membran 12 zugewandten Seite eine im Wesentlichen zylinderförmige Aussparung 5 auf, die das Kopplungselement 8 wenigstens teilweise aufnimmt. Der Gewindestift 6 ragt von der der Membran 12 gegenüberliegenden Seite in diese Aussparung 5 und die im Kopplungselement 8 ausgebildete Bohrung 10 hinein.
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Da der Gewindestift 6 durch den Schrittmotor 4 in Richtung parallel zur Achse A fixiert ist, d. h., sein Abstand von der Grundplatte 14 nicht veränderbar ist, bewirkt eine Drehung des Gewindestiftes 6 durch den Schrittmotor 4 aufgrund des Eingriffs des Außengewindes des Gewindestiftes 6 in das Innengewinde 9 des Kopplungselements 8, dass sich das Kopplungselement 8 je nach Drehrichtung des Gewindestiftes 6 in axialer Richtung, d. h. parallel zur Achse A, nach oben oder unten bewegt. Dabei nimmt das Kopplungselement 8 den mit dem Kopplungselement 8 fest verbundenen mittleren Bereich der Membran 12 mit, so dass das Fördervolumen 17 durch Betreiben des Schrittmotors 4 vergrößert (Aufwärtsbewegung des Kopplungselements 8 und der Membran 12) oder verkleinert (Abwärtsbewegung des Kopplungselements 8 und der Membran 12) werden kann.
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Auf der von der Membran 12 abgewandten zweiten („unteren“) Seite der Grundplatte 14 sind ein Einlassventil 18 und ein Auslassventil 22 ausgebildet, die jeweils in Fluidverbindung mit der Bohrung 15 und mit einem Fluideinlass 16 bzw. einem Fluidauslass 20 stehen.
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Werden das Kopplungselement 8 und der mittlere Bereich der Membran 12 durch den Schrittmotor 4 nach oben bewegt, vergrößert sich der Volumeninhalt des Fördervolumens 17, wodurch sich der Druck im Fördervolumen 17 und in der Bohrung 15 verringert, sich das Einlassventil 18 öffnet und Fluid durch den Einlass 16 und das Einlassventil 18 in das Fördervolumen 17 strömt (Saughub).
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Nach der Beendigung des Saughubs, d.h. wenn das Kopplungselement 8 und die Membran 12 ihre Endstellung erreicht haben, in der der Volumeninhalt des Fördervolumens 17 maximal ist, wird die Drehrichtung des Schrittmotors 4 umgekehrt, so dass sich das Kopplungselement 8 und mit ihm der mittlere Bereich der Membran 12 schrittweise nach unten bewegen und den Volumeninhalt des Fördervolumens 17 verringern. Aufgrund des durch die Verringerung des Volumens bewirkten Druckanstiegs im Fördervolumen 17 und der Bohrung 15 schließt sich das Einlassventil 18, und das Auslassventil 22 öffnet sich, so dass das Fluid aus dem Fördervolumen 17 durch die Bohrung 15 und das geöffnete Auslassventil 22 in den Auslass 20 strömt (Förderhub).
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Der Einlass 16 und der Auslass 20 sind jeweils durch einen O-Ring 24 gegenüber dem Fördermodul 2 abgedichtet.
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Das erfindungsgemäße Bewegen der Membran 12 mittels eines Schrittmotors 4 ermöglicht einen größeren Hub als die bisher verwendeten Hubmagnete. Die einzige im Betrieb relevante Toleranz ergibt sich aus dem Spiel des Eingriffs zwischen dem Außengewinde des Gewindestiftes 6 und dem Innengewinde 9 der Bohrung 10 im Kopplungselement 8. Gewinde können mit sehr geringen Toleranzen gefertigt werden. Die Toleranzen, welche die Fördermenge beeinflussen, können daher deutlich reduziert oder zumindest kompensiert werden.
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Durch die Verwendung eines selbsthemmenden Gewindes kann die notwendige Abdichtung gegenüber dem Systemdruck sichergestellt werden, so dass im Ruhezustand keine aktive Bestromung des Schrittmotors 4 notwendig ist und eine erfindungsgemäße Membranpumpe energiesparend betrieben werden kann.
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Die vorgeschlagene Konstruktion mit einem Schrittmotor 4 ermöglicht im Vergleich zu einer konventionellen Hubmagnet-Förderpumpe eine höhere Fördermenge bei reduzierter Lautstärke und geringeren Schwankungen der Fördermenge.
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Anstelle des Gewindestiftes 6 kann auch jede andere Bauform benutzt werden, die geeignet ist, die Rotationsbewegung eines Schrittmotors in eine Axialbewegung der Membran 12 umzuwandeln.
