DE102016014204A1

DE102016014204A1 - Pumpenbaugruppe und Verfahren zum Betrieb derselben

Info

Publication number: DE102016014204A1
Application number: DE102016014204.9A
Authority: DE
Inventors: Axel Müller; Thomas Rolland
Original assignee: Thomas Magnete GmbH
Current assignee: Thomas Magnete GmbH
Priority date: 2016-11-29
Filing date: 2016-11-29
Publication date: 2018-05-30

Abstract

KurzfassungAufgabe: Die Pumpe soll die Beheizung des Arbeitsmediums übernehmen oder unterstützen und dazu einen schnellen Wärmeübergang von der Magnetspule des Elektromagneten zu einer Flüssigkeit ermöglichen.Lösung: Die Flüssigkeit umgibt wegen der Anordnung der Pumpenbaugruppe (1) in einem Vorratstank (3) die Pumpenbaugruppe und ein Wärmeübergang von der Pumpenbaugruppe zu der Flüssigkeit wird dadurch erleichtert, dass die für die Wärmeabgabe maßgebende Oberfläche der Pumpenbaugruppe durch mindestens eine mit dem Gehäuse (4) der Pumpenbaugruppe verbundene Rippe (5) vergrößert wird.Anwendung: Die erfindungsgemäße Pumpenbaugruppe und das darauf aufbauende System zur Versorgung einer Abgasbehandlungsvorrichtung wird vorzugsweise in Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren oder in stationären Antriebsanlagen eingesetzt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Pumpenbaugruppe entsprechend dem Oberbegriff des ersten Patentanspruchs.
Pumpen mit einem Antrieb durch einen linearwirkenden Elektromagneten sind bekannt, zum Beispiel als innen durchströmte Hubkolbenpumpen oder als Membranpumpen, deren Elektromagnete nicht von dem Arbeitsmedium durchströmt werden.
Zum Beheizen eines Vorratstanks sind Tankheizungen bekannt, zum Beispiel aus der Druckschrift DE 10 2011 084 962 A1 . Insbesondere für Reduktionsmittel, die in Fahrzeugen zur Abgasnachbehandlung verwendet werden, ist die Beheizung des Vorratstanks erforderlich. Es ist dabei vorteilhaft, wenn die Pumpe die Beheizung übernimmt oder unterstützt.
Die bekannten Pumpe können auch dann, wenn sie in den Vorratstank eingebaut sind, nur sehr langsam Wärme an das Arbeitsmedium abgeben, weil der Wärmeübergang von der Magnetspule des Elektromagneten an die Flüssigkeit, die gefördert wird, durch eine Mehrzahl von Wärmeübergangswiderständen und kleine Wärmeübergangsflächen behindert wird.
Die Druckschrift DE 10 2012 017 916 B3 zeigt einen Elektromagnet mit verbesserter Wärmeleitung, dabei besteht der Spulenkörper aus einem besonders gut wärmeleitenden Werkstoff.
Die Druckschrift DE 10 2010 024 554 A1 zeigt ein Tankmodul, dessen Pumpe eine Magnetspule aufweist, die von der Flüssigkeit umströmt wird, wobei die Abwärme der Spule an das Arbeitsfluid abgeführt wird.
Aufgabe:
Die Pumpe soll die Beheizung des Arbeitsmediums übernehmen oder unterstützen und dazu einen schnellen Wärmeübergang von der Magnetspule des Elektromagneten zu der Flüssigkeit ermöglichen. Dabei soll die Pumpe so betrieben werden, dass nach einer längeren Stillstandsphase der Pumpe die Flüssigkeit erst ausreichend erwärmt wird, bevor die Pumpe fördernd betrieben wird.
Lösung:
Die Aufgaben werden von den Merkmalen des ersten Patentanspruchs und von dem Verfahren gelöst, das in dem letzten Patentanspruch beschrieben ist. Die Unteransprüche führen die Lösung näher aus und die nebengeordneten Ansprüche 11 und 12 beschreiben ein mit den Merkmalen der Erfindung versehenes System zur Versorgung von Abgasnachbehandlungseinrichtungen.
Die erfindungsgemäße Pumpe kann als Hubkolbenpumpe oder als Membranpumpe ausgebildet sein, sie wird von einem translatorisch wirkenden Elektromagneten angetrieben. Pumpe und Elektromagnet sind zu einer Baugruppe, der Pumpenbaugruppe zusammengebaut und weisen auch gemeinsame Bauteile auf und werden beide von der geförderten Flüssigkeit berührt und im Falle der Hubkolbenpumpe auch durchströmt.
Der Elektromagnet wird von einer elektrischen Ansteuerung pulsierend mit elektrischer Energie versorgt, entweder mit einer vorgegebenen elektrischen Spannung oder mit einem geregelten Strom.
Die Pumpenbaugruppe ist in einen Vorratstank mit der zu fördernden Flüssigkeit eingebaut und ganz oder teilweise von der Flüssigkeit umgeben. Die Flüssigkeit kann bei sehr niedrigen Temperaturen und bei einer länger andauernden Ruhephase einfrieren, und dann kann die Pumpenbaugruppe nicht fördern und sollte zur Vermeidung von Beschädigungen auch nicht mit pulsierender elektrischer Betriebsenergie beaufschlagt werden.
Zum Erwärmen und zum Auftauen der Flüssigkeit wird hier keine zusätzliche Heizung, sondern die Pumpenbaugruppe selbst eingesetzt. Dazu wird der Elektromagnet der Pumpe mit Strom einer so hohen Frequenz beaufschlagt, dass die translatorische Bewegung nicht folgen kann, die Pumpe also nicht fördert und die gesamte elektrische Energie in Wärme umgesetzt wird.
Damit die Wärme schnell von dem Elektromagnet auf die Flüssigkeit übergeht, sind große die Flüssigkeit berührende Wärmeübergangsflächen vorgesehen, die als Rippen ausgeführt sind.
Das Gehäuse der Pumpenbaugruppe umfasst auch den Elektromagneten und hat daher auch die Aufgabe, den Eisenrückschluss für den Elektromagneten zu bilden. Dazu ist das Gehäuse als topfförmiges Blechbauteil ausgeführt, oder es besteht aus einem gespritzten Kunststoff.
Im Fall der Ausführung mit dem Kunststoff wird der Eisenrückschluss durch einen Blechbügel realisiert oder die Kunststoffmasse ist mit einer ausreichenden Menge von Eisenpartikeln gefüllt, die den Eisenrückschluss bewirken.
Im letzteren Fall sind dann auch die genannten Rippen aus demselben Kunststoff hergestellt.
Nähere Merkmale der Pumpenbaugruppe der sind in der beispielhaften Ausführung beschrieben.
Die Pumpenbaugruppe ist vorzugsweise Teil eines Systems zur Versorgung einer Abgasbehandlungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor mit einer Flüssigkeit. Zu diesem System gehören auch ein Vorratstank und eine elektrische Ansteuerung sowie die zur Verbindung erforderlichen Leitungen und Befestigungselemente.
Bei dem Betrieb der Pumpenbaugruppe wird von der elektrischen Ansteuerung zwischen zwei Betriebsarten umgeschaltet, in einer ersten Betriebsart wird die Pumpe nur zum Beheizen der Flüssigkeit verwendet, und in der zweiten Betriebsart pumpt die Pumpenbaugruppe Flüssigkeit und gibt dabei weiter Wärme an die Flüssigkeit ab. Die Umschaltung der Betriebsarten erfolgt temperaturabhängig oder zeitabhängig so, dass die Pumpe erst dann pumpt, wenn die Flüssigkeit sicher nicht mehr eingefroren ist.
In der ersten Betriebsart, in der nur beheizt wird, liegt die Frequenz der Ansteuerpulse aus der elektrischen Ansteuerung an den Elektromagneten so hoch, dass der Elektromagnet wegen seiner endlichen Eigenfrequenz den Ansteuerpulsen mechanisch nicht folgen kann, so dass ein Pumpen nicht erfolgt, sondern die Energie der Ansteuerimpulse vollständig in Wärme verwandelt wird.
In der zweiten Betriebsart liegt die Frequenz der Ansteuerpulse so weit unter der Eigenfrequenz des Elektromagneten, dass er die elektrischen Ansteuerpulse in mechanische Bewegung umsetzt und die Pumpe antreibt.
Anwendung:
Die erfindungsgemäße Pumpenbaugruppe und das darauf aufbauende System zur Versorgung einer Abgasbehandlungsvorrichtung wird vorzugsweise in Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren oder in stationären Antriebsanlagen eingesetzt, kann aber auch allgemein in Systemen eingesetzt werden, die wässrige Medien verwenden.
Figurenliste

1 zeigt eine Pumpenbaugruppe mit wendelförmiger Rippe
2 zeigt eine Pumpenbaugruppe mit einer Mehrzahl von Rippen, die als Hohlkörper ausgebildet sind.
3 zeigt einen Schnitt durch eine Hubkolbenpumpe, deren Gehäuse aus metallpartikelgefülltem Kunststoff besteht.
4 zeigt einen Vorratstank mit einer darin angeordneten Pumpenbaugruppe

Beispielhafte Ausführung:
Eine Pumpe (11) zur Förderung und/oder Dosierung von Flüssigkeit wird durch einen Elektromagneten (2) angetrieben, wobei die Pumpe und der Elektromagnet von der Flüssigkeit durchströmt oder berührt werden und deshalb Wärme an die Flüssigkeit abgeben.
Die Pumpe (11) und der Elektromagnet (2) bilden eine Pumpenbaugruppe (1). Die Pumpe kann als Hubkolbenpumpe oder als Membranpumpe ausgebildet sein.
Die Flüssigkeit umgibt wegen der Anordnung der Pumpenbaugruppe (1) in einem Vorratstank (3) gemäß 4 die Pumpenbaugruppe. Ein Wärmeübergang von der Pumpenbaugruppe zu der Flüssigkeit wird dadurch erleichtert, dass die für die Wärmeabgabe maßgebende Oberfläche der Pumpenbaugruppe durch eine mit dem Gehäuse (4) der Pumpenbaugruppe verbundenen Rippe (5) oder durch eine Mehrzahl von mit dem Gehäuse verbundenen Rippen vergrößert wird, wobei die Rippe oder die Rippen von der Flüssigkeit umgeben sind.
Das Gehäuse (4) der Pumpenbaugruppe (1) ist vorzugsweise aus einem magnetisch leitenden Metall, beispielsweise Eisen, hergestellt, und die Rippe (5) oder die Rippen sind ebenfalls aus Metall hergestellt. Die Rippe oder die Rippen sind dabei kraftschlüssig, formschlüssig oder stoffschlüssig mit dem Gehäuse (4) verbunden.
Dabei sind vorteilhafterweise die Rippe (5) oder die Rippen dort, wo sie das Gehäuse (4) berühren, mit einer Abflachung (6) versehen, damit die Berührfläche zum Gehäuse möglichst groß ist.
In einer ersten bevorzugten Ausführung gemäß 1 umfasst eine Rippe (5) wendelförmig das Gehäuse (4).
In einer zweiten Ausführung gemäß 2 bilden eine Mehrzahl von Rippen (5) zusammen einen Hohlkörper (7), der das Gehäuse (4) umfasst, wobei die Rippen stoffschlüssig, formschlüssig oder kraftschlüssig miteinander verbunden sind und kraftschlüssig oder formschlüssig mit dem Gehäuse (4) verbunden sind. Das Gehäuse (4) bewirkt dabei den magnetischen Rückschluss des Elektromagneten.
In einer dritten Ausführung besteht das äußere Gehäuse (4) der Pumpenbaugruppe (1) aus einer Kunststoffumspritzung, die einen bügelförmigen magnetischen Rückschluss aus Eisen teilweise umfasst. Dabei berührt der Hohlkörper (7) mit den Rippen (5) den magnetischen Rückschluss.
In einer vierten Ausführung gemäß 3 ist das Gehäuse (4) der Pumpenbaugruppe (1) aus einem mit Eisenpartikeln gefüllten Kunststoff hergestellt und die Rippe (5) oder die Rippen sind aus demselben Kunststoff hergestellt und stoffschlüssig mit dem Gehäuse (4) verbunden. Dabei bewirkt der mit Eisenpartikeln gefüllte Kunststoff den magnetischen Rückschluss für den Elektromagneten.
Vorteilhafterweise weist der Elektromagnet (2) einen Spulenkörper (9) auf, der aus einem Werkstoff hergestellt ist, der sehr geringe magnetische Leitfähigkeit (1 bis 10 Vs/(Am)) mit hoher Wärmeleitfähigkeit (0,5 bis 50 W/(mK)) verbindet. Beispielsweise weisen einige mineralstoffgefüllte Kunststoffe diese Eigenschaften auf.
Dabei ist der Spulenkörper (9) mit dem Gehäuse (4) so verbunden ist, dass durch eine ausreichend große Berührfläche zwischen dem Spulenkörper (9) und dem Gehäuse (4) der Wärmeübergang zwischen dem Spulenkörper und dem Gehäuse nicht behindert wird, wobei die ausreichend große Berührfläche zu einem erheblichen Teil als Flanschfläche zwischen dem Spulenkörper und dem Gehäuse ausgebildet ist.
Die erfindungsgemäße durch einen Elektromagneten (2) angetriebene Pumpe (11) ist vorzugsweise Teil eines Systems zur Versorgung einer Abgasbehandlungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor mit einer Flüssigkeit, beispielsweise einer wässrigen Harnstofflösung, aus einem Vorratstank (3).
Dabei ist die Pumpenbaugruppe (1) gemäß 4 in dem Vorratstank (3) angeordnet, und sie erwärmt auch die Flüssigkeit, wobei die von dem Elektromagneten (2) abgegebene Wärme von dem Gehäuse (4) über mit dem Gehäuse verbundene Rippen (5) an die Flüssigkeit abgegeben wird. Vorzugsweise weist die Pumpe den elektrischen Schutzgrad IP6K9K oder den Schutzgrad IP6K8 auf.
Zum Betrieb des genannten Systems wird von einer elektrischen Ansteuerung (10) die Pumpenbaugruppe (1) bei dem Start des Systems zunächst mit so hoher Frequenz angesteuert, dass die Pumpe nicht fördert, sondern nur Wärme an die umgebende Flüssigkeit abgibt.
Erst nach einer vorbestimmten Zeit oder nach Erreichen einer vorbestimmten Grenztemperatur in der Flüssigkeit wird durch die elektrische Ansteuerung die Pumpenbaugruppe mit einer so niedrigen Frequenz ansteuert, dass die Pumpe Flüssigkeit fördert.
Dabei ist die Grenze zwischen der hohen Frequenz ohne Förderung und der niedrigen Frequenz mit Förderung durch die Grenzfrequenz des Elektromagneten (2) bestimmt.
Bezugszeichenliste

1.: Pumpenbaugruppe
2.: Elektromagnet
3.: Vorratstank
4.: Gehäuse
5.: Rippe
6.: Abflachung
7.: Hohlkörper
9.: Spulenkörper
10.: Elektrische Ansteuerung
11.: Pumpe

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102011084962 A1 [0003]
DE 102012017916 B3 [0005]
DE 102010024554 A1 [0006]

Claims

Pumpenbaugruppe (1), bestehend aus einem linearwirkenden Elektromagneten (2) und einer davon angetriebenen Pumpe (11) zur Förderung und/oder Dosierung von Flüssigkeit, wobei die Pumpenbaugruppe Wärme an die Flüssigkeit abgibt, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit wegen der Anordnung der Pumpenbaugruppe (1) in einem Vorratstank (3) die Pumpenbaugruppe teilweise oder ganz umgibt und ein Wärmeübergang von der Pumpenbaugruppe zu der Flüssigkeit dadurch erleichtert wird, dass die für die Wärmeabgabe maßgebende Oberfläche der Pumpenbaugruppe (1) durch mindestens eine mit dem Gehäuse (4) der Pumpenbaugruppe verbundene Rippe (5) vergrößert wird, wobei die Rippe oder die Rippen von der Flüssigkeit teilweise oder ganz umgeben sind.
Pumpenbaugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpenbaugruppe (1) als innen durchströmte Hubkolbenpumpe ausgebildet ist.
Pumpenbaugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (11) als Membranpumpe ausgebildet ist.
Pumpenbaugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (4) der Pumpenbaugruppe (1) aus einem magnetisch leitfähigen Metall, beispielsweise Eisen, hergestellt ist und dass die Rippe (5) oder die Rippen ebenfalls aus Metall hergestellt sind und die Rippe oder die Rippen kraftschlüssig, formschlüssig oder stoffschlüssig mit dem Gehäuse (4) verbunden sind.
Pumpenbaugruppe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippe (5) oder die Rippen dort, wo sie das Gehäuse (4) berühren, mit einer Abflachung (6) versehen sind, damit die Berührfläche zum Gehäuse möglichst groß ist.
Pumpenbaugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rippe (5) wendelförmig das Gehäuse (4) umfasst.
Pumpenbaugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Rippen (5) zusammen einen Hohlkörper (7) bilden, der das Gehäuse (4) umfasst, wobei die Rippen stoffschlüssig, formschlüssig oder kraftschlüssig miteinander verbunden sind und kraftschlüssig oder formschlüssig mit dem Gehäuse (4) verbunden sind, wobei das Gehäuse (4) den magnetischen Rückschluss des Elektromagneten bewirkt.
Pumpenbaugruppe nach Anspruch 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass das äußere Gehäuse (4) der Pumpe (1) aus einer Kunststoffumspritzung besteht, die einen bügelförmigen magnetischen Rückschluss aus Eisen teilweise umfasst, wobei der Hohlkörper (7) mit den Rippen (5) den magnetischen Rückschluss berührt.
Pumpenbaugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (4) der Pumpe (1) aus einem mit Eisenpartikeln gefüllten Kunststoff hergestellt ist und dass die Rippe (5) oder die Rippen aus demselben Kunststoff hergestellt sind und stoffschlüssig mit dem Gehäuse (4) verbunden sind, wobei der mit Eisenpartikeln gefüllte Kunststoff den magnetischen Rückschluss für den Elektromagneten bewirkt.
Pumpenbaugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromagnet (2) einen Spulenkörper (9) aufweist, der aus einem Werkstoff hergestellt ist, der sehr geringe magnetische Leitfähigkeit (1 bis 10 Vs/(Am)) mit hoher Wärmeleitfähigkeit (0,5 bis 50 W/(mK)) verbindet, wobei der Spulenkörper (9) mit dem Gehäuse (4) so verbunden ist, dass durch eine ausreichend große Berührfläche zwischen dem Spulenkörper (9) und dem Gehäuse (4) der Wärmeübergang zwischen dem Spulenkörper und dem Gehäuse nicht behindert wird, wobei die ausreichend große Berührfläche zu einem erheblichen Teil als Flanschfläche zwischen dem Spulenkörper und dem Gehäuse ausgebildet ist.
System zur Versorgung einer Abgasbehandlungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor mit einer Flüssigkeit, vorzugsweise einer wässrigen Harnstofflösung, aus einem Vorratstank (3), dadurch gekennzeichnet, dass eine durch einen Elektromagneten (2) angetriebene Pumpe (11) die Flüssigkeit fördert, wobei eine aus der Pumpe (11) und dem Elektromagneten (2) bestehende Pumpenbaugruppe (1) in dem Vorratstank (3) angeordnet ist und die Flüssigkeit auch erwärmt, indem die von dem Elektromagneten (2) abgegebene Wärme von einem Gehäuse (4) über mit dem Gehäuse verbundene Rippen (5) an die Flüssigkeit abgegeben wird.
System zur Versorgung einer Abgasbehandlungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor mit einer Flüssigkeit nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpenbaugruppe (1) einen elektrischen Schutzgrad von IP6K9K oder IP6K8 aufweist.
Verfahren zum Betrieb eines Systems nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrische Ansteuerung (10) die Pumpenbaugruppe (1) bei dem Start des Systems zunächst mit so hoher Frequenz ansteuert, dass die Pumpe (11) nicht fördert, sondern nur Wärme an die umgebende Flüssigkeit abgibt und dass nach einer vorbestimmten Zeit oder nach Erreichen einer vorbestimmten Grenztemperatur in der Flüssigkeit die elektrische Ansteuerung (10) die Pumpenbaugruppe mit einer so niedrigen Frequenz ansteuert, dass die Pumpe Flüssigkeit fördert, wobei die Grenze zwischen der hohen Frequenz ohne Förderung und der niedrigen Frequenz mit Förderung durch die Grenzfrequenz des Elektromagneten (2) vorgegeben ist.