DE102017209569A1 - Mehrteiliges Gehäuse für eine Membranpumpe, Membranpumpe, Abgasnachbehandlungssystem - Google Patents

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Thomas Soehner
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein mehrteiliges Gehäuse (1) für eine Membranpumpe (10), umfassend ein erstes Kunststoffteil (2) und ein zweites Kunststoffteil (3), die miteinander verbunden sind, wobei die Verbindung über eine radiale Schweißnaht (4) zwischen einem hohlzylinderförmigen Kragen (5) des ersten Kunststoffteils (2) und einem hierin eingesetzten Außenumfangsabschnitt (6) des zweiten Kunststoffteils (3) hergestellt ist. Erfindungsgemäß weist der Außenumfangsabschnitt (6) des zweiten Kunststoffteils (3) im Bereich eines umlaufenden Schweißstegs (7) ein radiales Übermaß (a) gegenüber einem Innendurchmesser (D) des hohlzylinderförmigen Kragens (5) des ersten Kunststoffteils (2) auf, so dass auf den Kragen (5) eine Radialkraft wirkt, die zu einer Dehnung des Kragens (5) führt, wobei zur Reduzierung der Dehnung das radiale Übermaß des Schweißstegs (7) über eine Einpresstiefe (t) variiert.
Ferner betrifft die Erfindung eine Membranpumpe (10) mit einem erfindungsgemäßen Gehäuse (1) sowie ein Abgasnachbehandlungssystem mit einer erfindungsgemäßen Membranpumpe (10).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein mehrteiliges Gehäuse für eine Membranpumpe mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung eine Membranpumpe mit einem solchen Gehäuse sowie ein Abgasnachbehandlungssystem mit einer entsprechenden Membranpumpe, da hierin eine bevorzugte Anwendung der Membranpumpe gesehen wird.
  • Stand der Technik
  • Zur Reduzierung der Stickoxid-Emissionen werden Abgase von Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere von Dieselmotoren, einer Abgasnachbehandlung unterzogen. Hierbei werden SCR-Katalysatoren eingesetzt (SCR = Selective Catalytic Reduction), in denen Stickoxidmoleküle unter Zuhilfenahme von Ammoniak (NH3), das als Reduktionsmittel dient, zu elementarem Stickstoff reduziert werden. Zur Bereitstellung des Reduktionsmittels wird eine Harnstoff-Wasser-Lösung (HWL) mittels eines Dosiermoduls eines Dosiersystems vor dem SCR-Katalysator in den Abgasstrom eingebracht.
  • Dosiersysteme der vorstehend genannten Art umfassen neben einem Dosiermodul einen HWL-Tank zur Bevorratung der Harnstoff-Wasser-Lösung sowie ein Fördermodul, mittels dessen die im HWL-Tank bevorratete Harnstoff-Wasser-Lösung dem Dosiermodul zuführbar ist. Da die Harnstoff-Wasser-Lösung bei tiefen Temperaturen gefriert, muss diese bei abgestellter Verbrennungskraftmaschine aus dem Dosiermodul zurückgesaugt werden, um Schäden am Dosiermodul aufgrund von Eisdruck zu vermeiden.
  • In einem Fördermodul gelangt in der Regel eine Membranpumpe zum Einsatz, da diese besonders unempfindlich ist. Eine solche Pumpe kann auch als Rücksaugpumpe eingesetzt werden. Eine derartige Membranpumpe geht beispielhaft aus der DE 10 2008 054 686 A1 hervor. Die Membran ist unter Ausbildung eines Arbeitsraums radial außen an einem ersten Gehäuseteil befestigt, das aus laserabsorbierendem Kunststoff gefertigt ist. An das erste Gehäuseteil ist ein weiteres Gehäuseteil in Form einer Anschlussplatte mit einem das erste Gehäuseteil umgreifenden Kragenabschnitt angesetzt. Das weitere Gehäuseteil besteht aus einem lichtdurchlässigen und damit lasertransparenten Kunststoff. Dadurch ist es möglich, die beiden Gehäuseteile mittels einer umlaufenden Laserschweißnaht im Bereich eines Schweißstegs stoffschlüssig und damit fluiddicht zu verbinden.
  • Es hat sich gezeigt, dass für die Auslegung der Laserschweißnaht mit rotationssymmetrischem Schweißsteg eine gewisse Verpressung bzw. Radialkraft zwischen beiden Gehäuseteilen in allen Toleranzlagen im verpressten Zustand erforderlich ist. Eine zu hohe Verpressung wiederum kann eine Überbeanspruchung des Materials in Form einer Überschreitung der zulässigen Bruchdehnung zur Folge haben. Um dies zu vermeiden, sind die Fertigungstoleranzen sehr eng auszulegen.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein mehrteiliges Gehäuse für eine Membranpumpe anzugeben, bei dem die Gefahr einer Überschreitung der zulässigen Bruchdehnung eines Gehäuseteils minimiert ist, und zwar in jeder Toleranzlage einer radialen Schweißnaht, welche das Gehäuseteil mit einem weiteren Gehäuseteil verbindet.
  • Zur Lösung der Aufgabe wird das mehrteilige Gehäuse mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Ferner werden eine Membranpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 9 sowie ein Abgasnachbehandlungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 10 angegeben.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Das vorgeschlagene mehrteilige Gehäuse umfasst ein erstes Kunststoffteil und ein zweites Kunststoffteil, die miteinander verbunden sind, wobei die Verbindung über eine radiale Schweißnaht zwischen einem hohlzylinderförmigen Kragen des ersten Kunststoffteils und einem hierin eingesetzten Außenumfangsabschnitt des zweiten Kunststoffteils hergestellt ist. Erfindungsgemäß weist der Außenumfangsabschnitt des zweiten Kunststoffteils im Bereich eines umlaufenden Schweißstegs ein radiales Übermaß a gegenüber einem Innendurchmesser D des hohlzylinderförmigen Kragens des ersten Kunststoffteils auf, so dass auf den Kragen eine Radialkraft wirkt, die zu einer Dehnung des Kragens führt, wobei zur Reduzierung der Dehnung das radiale Übermaß a des Schweißstegs über eine Einpresstiefe t variiert.
  • Die beiden Gehäuseteile des mehrteiligen Gehäuses sind demnach nicht nur miteinander verschweißt, sondern zur Auslegung der Schweißnaht zudem miteinander verpresst. Das zweite Kunststoffteil weist hierzu ein radiales Übermaß a bzw. ein Pressübermaß gegenüber dem Innendurchmesser D des hohlzylinderförmigen Kragens des ersten Kunststoffteils auf. Dadurch, dass das Pressübermaß über die Einpresstiefe variiert, variiert auch die Radialkraft, die auf den Kragen des ersten Kunststoffteils wirkt. Das heißt, dass die Radialkraft über die Einpresstiefe nicht gleich hoch ist und der Kragen unterschiedlich stark gedehnt wird. Auf diese Weise wird eine Entlastung erreicht, die dazu führt, dass die zulässige Bruchdehnung des Materials des ersten Kunststoffteils nicht überschritten wird. Alternativ oder ergänzend können die Fertigungstoleranzen erweitert werden. Dadurch kann der Fertigungsaufwand reduziert werden, was zu einer Senkung der Teilekosten führen würde.
  • Zur Realisierung des über die Einpresstiefe t variierenden radialen Übermaßes a wird vorgeschlagen, dass der Schweißsteg über die Einpresstiefe t zumindest abschnittsweise konisch geformt ist. Der Konus ist dabei derart orientiert, dass mit zunehmender Einpresstiefe t der Außendurchmesser des Schweißstegs abnimmt. Auf diese Weise kann der konisch geformte Abschnitt des Schweißstegs zugleich als Einführ- und/oder Zentrierkonus genutzt werden.
  • Bevorzugt ist der Schweißsteg des zweiten Kunststoffteils rotationssymmetrisch ausgeführt, so dass die Belastung des hohlzylinderförmigen Kragens des ersten Kunststoffteils über den Umfang gleich ist.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das erste Kunststoffteil einen plattenförmigen Abschnitt auf, der über einen Radius R in den hohlzylinderförmigen Kragen übergeht. In dieser Ausgestaltung des ersten Kunststoffteils kommen die Vorteile der Erfindung besonders deutlich zum Tragen, da die Belastung bei einer Dehnung des Kragens im Anschlussbereich an den plattenförmigen Abschnitt am größten ist. Über einen Radius kann die Belastung gesenkt werden.
  • Alternativ wird vorgeschlagen, dass das erste Kunststoffteil einen plattenförmigen Abschnitt aufweist, der über mindestens zwei Radien R1 , R2 in den hohlzylinderförmigen Kragen übergeht, wobei die beiden Radien R1 , R2 gegenläufig sind, so dass eine umlaufende Nut im plattenförmigen Abschnitt ausgebildet wird. Die umlaufende Nut bildet einen Hinterschnitt aus, der die Belastung im Anschlussbereich des Kragens an den plattenförmigen Abschnitt weiter senkt. Dadurch ist sichergestellt, dass die zulässige Bruchdehnung nicht überschritten wird.
  • Als weiterbildende Maßnahme wird vorgeschlagen, dass die beiden Radien R1 , R2 über eine Gerade verbunden sind, die eine Tangente T in Bezug auf mindestens einen Radius ausbildet. Auf diese Weise wird eine umlaufende Nut bzw. ein Hinterschnitt mit großem tangentialen Auslauf geschaffen, der die Belastung im Anschlussbereich weiter verringert.
  • Bevorzugt sind beide Kunststoffteile des mehrteiligen Gehäuses aus einem thermoplastischen Kunststoff gefertigt, um die Verschweißbarkeit der Kunststoffteile zu gewährleisten.
  • Da vorzugsweise die Schweißverbindung mittels eines Lasers hergestellt wird, wird ferner vorgeschlagen, dass das erste Kunststoffteil aus einem lasertransparenten Kunststoff gefertigt ist. Der Laser vermag somit den hohlzylinderförmigen Kragen des ersten Kunststoffteils zu durchdringen um die Schweißverbindung zwischen dem Kragen und dem Schweißsteg des zweiten Kunststoffteils herzustellen. Als lasertransparenter Kunststoff kann beispielsweise ein naturfarbener Kunststoff verwendet werden. Bei dem ersten Kunststoffteil handelt es sich vorzugsweise um einen Membranadapter der Membranpumpe. Das heißt, dass das erste Kunststoffteil der Aufnahme einer Membran dient, die gemeinsam mit dem Membranadapter einen Arbeitsraum der Membranpumpe begrenzt.
  • Das zweite Kunststoffteil ist vorzugsweise aus einem laserabsorbierenden Kunststoff gefertigt, wobei es sich insbesondere um einen schwarzen Kunststoff handeln kann. Dadurch ist sichergestellt, dass eine stoffschlüssige Verbindung beider Kunststoffteile mittels Laserschweißen erreichbar ist. Bei dem zweiten Kunststoffteil handelt es sich vorzugsweise um einen Ventiladapter der Membranpumpe. Das heißt, dass das zweite Kunststoffteil mindestens ein Ventil zur Befüllung und/oder zur Entleerung des Arbeitsraums der Membranpumpe aufweist. Das Ventil kann insbesondere als einfaches Flatterventil ausgebildet sein.
  • Die darüber hinaus vorgeschlagene Membranpumpe zum Fördern eines Hilfsmediums, insbesondere einer wässrigen Harnstofflösung, zeichnet sich dadurch aus, dass sie ein erfindungsgemäßes mehrteiliges Gehäuse umfasst. Da das Gehäuse einer geringeren Belastung ausgesetzt ist, weist die Membranpumpe eine gesteigerte Robustheit auf.
  • Ferner wird ein Abgasnachbehandlungssystem mit einer solchen Membranpumpe vorgeschlagen, da hierin die Membranpumpe sowohl als Förderpumpe als auch als Rücksaugpumpe einsetzbar ist.
  • Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Diese zeigen:
    • 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Membranpumpe mit einem mehrteiligen Gehäuse gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
    • 2 einen schematischen Längsschnitt durch das Gehäuse der Membranpumpe der 1,
    • 3 einen schematischen Längsschnitt durch die beiden Gehäuseteile des Gehäuses der 2 vor der Montage als vergrößerten Detailausschnitt,
    • 4 einen schematischen Längsschnitt durch das erste Gehäuseteil des Gehäuses der 2 als vergrößerter Detailausschnitt,
    • 5 einen schematischen Längsschnitt durch das erste Gehäuseteil eines erfindungsgemäßen Gehäuses gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, und
    • 6 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems.
  • Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
  • Die in der 1 dargestellte erfindungsgemäße Membranpumpe 10 weist ein mehrteiliges Gehäuse 1 auf, das einen Membranadapter (2) als erstes Kunststoffteil 2 und einen Ventiladapter (3) als zweites Kunststoffteil 3 umfasst. Der Membranadapter 2 nimmt eine Membran 11 auf, die gemeinsam mit einem plattenförmigen Abschnitt 8 des Membranadapters 2 einen Arbeitsraum 12 begrenzt. Auf ihrer dem Arbeitsraum 12 abgewandten Seite ist die Membran 11 mit einem Magnetanker 13 verbunden, der in Richtung der Membran 11 über die Federkraft einer Feder 14 axial vorgespannt ist. Die Feder 14 dient der Rückstellung des Magnetankers 13, wenn die Bestromung eines nicht näher dargestellten Elektromagneten 15 zur Betätigung des Magnetankers 13 beendet wird.
  • Zur Steuerung der Befüllung und/oder der Entleerung des Arbeitsraums 12 weist die Membranpumpe 10 ein Ventil 16 auf, das vorliegend als Flatterventil ausgeführt ist. Es weist ein flexibles Schließelement aus einem Elastomermaterials auf, das am Ventiladapter 3 abgestützt ist.
  • Wie insbesondere der 2 zu entnehmen ist, ist der Ventiladapter 3 in einen hohlzylinderförmigen Kragen 5 des ersten Kunststoffteils 2 bzw. des Membranadapters 2 eingepresst und im Bereich des Presssitzes mit diesem über eine umlaufende radiale Schweißnaht 4 stoffschlüssig verbunden. Die umlaufende radiale Schweißnaht 4 dient zugleich der fluiddichten Abdichtung der Membranpumpe 10 nach außen. Der Presssitz wird über einen Schweißsteg 7 erreicht, der in einem Außenumfangsabschnitt 6 des Ventiladapters 3 angeordnet ist und ein radiales Übermaß a gegenüber einem Innendurchmesser D des hohlzylinderförmigen Kragens 5 des Membranadapters 2 besitzt (siehe 3). Da der Schweißsteg 7 konisch geformt ist, variiert das radiale Übermaß a über die Einpresstiefe t. Der Konuswinkel α ist dabei in der Weise orientiert, dass mit zunehmender Einpresstiefe t das radiale Übermaß a kleiner wird. Damit sinkt die Belastung des Membranadapters 2 im Anschlussbereich des Kragens 5 an den plattenförmigen Abschnitt 8, so dass eine Überbeanspruchung des Materials in diesem Bereich vermieden wird. Da der Anschluss vorliegend über einen Radius R realisiert wird (siehe 4), kann die Belastung weiter gesenkt werden.
  • Eine alternative Ausführungsform eines Anschlussbereichs ist in der 5 dargestellt. Hier wird der Anschluss des Kragens 5 an den plattenförmigen Abschnitt 8 durch zwei Radien R1 R2 realisiert. Die beiden Radien R1 R2 sind gegenläufig ausgeführt, das heißt einmal konkav und einmal konvex ausgeführt, so dass im Anschlussbereich eine umlaufende Nut 9 ausgebildet wird, die in den plattenförmigen Abschnitt 8 einschneidet bzw. diesen hinterschneidet. Die beiden Radien R1 R2 sind zudem über eine Gerade verbunden, welche in Bezug auf beide Radien R1 R2 eine Tangente T ausbildet. Bei einer entsprechenden Ausgestaltung des Anschlussbereichs können die dort aufgrund der Pressverbindung der beiden Kunststoffteile 2, 3 auftretenden Spannungen weiter reduziert werden. Dadurch ist sichergestellt, dass die zulässige Bruchdehnung des Materials nicht überschritten wird.
  • Die in den 1 bis 5 dargestellte Membranpumpe 10 gelangt insbesondere in einem Abgasnachbehandlungssystem gemäß der 6 zum Einsatz. Dort kann sie zur Förderung eines Hilfsstoffs, insbesondere einer Harnstoff-Wasser-Lösung, eingesetzt werden. Die Harnstoff-Wasser-Lösung wird in einem Tank 17 bevorratet und mittels eines Dosiermoduls 18 in ein Abgasrohr 19 einer Brennkraftmaschine (nicht dargestellt) eindosiert. Stromabwärts des Dosiermoduls 18 ist im Abgasrohr 19 ist ein SCR-Katalysator 20 zur Reduzierung der Stickoxid-Emissionen angeordnet. Mindestens ein Sensor 21 überwacht die Zusammensetzung des Abgases und sendet die Daten an eine Steuereinheit 22, mittels welcher das Dosiermodul 18 ansteuerbar ist. Darüber hinaus kann mittels der Steuereinheit 22 die Membranpumpe 10 angesteuert werden, um diese beispielsweise in einen Rücksaugbetrieb umzuschalten, welcher der Entleerung des Dosiermoduls dient. Dadurch ist sichergestellt, dass das Dosiermodul 18 bei tiefen Temperaturen, wenn die Harnstoff-Wasser-Lösung gefriert, keinen Schaden durch Eisdruck nimmt.
  • 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 102008054686 A1 [0004]

Claims (10)

  1. Mehrteiliges Gehäuse (1) für eine Membranpumpe (10), umfassend ein erstes Kunststoffteil (2) und ein zweites Kunststoffteil (3), die miteinander verbunden sind, wobei die Verbindung über eine radiale Schweißnaht (4) zwischen einem hohlzylinderförmigen Kragen (5) des ersten Kunststoffteils (2) und einem hierin eingesetzten Außenumfangsabschnitt (6) des zweiten Kunststoffteils (3) hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenumfangsabschnitt (6) des zweiten Kunststoffteils (3) im Bereich eines umlaufenden Schweißstegs (7) ein radiales Übermaß (a) gegenüber einem Innendurchmesser (D) des hohlzylinderförmigen Kragens (5) des ersten Kunststoffteils (2) aufweist, so dass auf den Kragen (5) eine Radialkraft wirkt, die zu einer Dehnung des Kragens (5) führt, wobei zur Reduzierung der Dehnung das radiale Übermaß (a) des Schweißstegs (7) über eine Einpresstiefe (t) variiert.
  2. Gehäuse (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schweißsteg (7) über die Einpresstiefe (t) zumindest abschnittsweise konisch geformt ist, wobei mit zunehmender Einpresstiefe (t) der Außendurchmesser des Schweißstegs (7) abnimmt.
  3. Gehäuse (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schweißsteg (7) rotationssymmetrisch ausgeführt ist.
  4. Gehäuse (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Kunststoffteil (2) einen plattenförmigen Abschnitt (8) aufweist, der über einen Radius (R) in den hohlzylinderförmigen Kragen (5) übergeht.
  5. Gehäuse (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Kunststoffteil (2) einen plattenförmigen Abschnitt (8) aufweist, der über mindestens zwei Radien (R1, R2) in den hohlzylinderförmigen Kragen (5) übergeht, wobei die beiden Radien (R1, R2) gegenläufig sind, so dass eine umlaufende Nut (9) im plattenförmigen Abschnitt (8) ausgebildet wird.
  6. Gehäuse (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Radien (R1, R2) über eine Gerade verbunden sind, die eine Tangente (T) in Bezug auf mindestens einen Radius (R1, R2) ausbildet.
  7. Gehäuse (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Kunststoffteil (2) aus einem lasertransparentem Kunststoff gefertigt ist und vorzugsweise ein Membranadapter der Membranpumpe (10) ist.
  8. Gehäuse (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Kunststoffteil (3) aus einem laserabsorbierenden Kunststoff gefertigt ist und vorzugsweise ein Ventiladapter der Membranpumpe (10) ist.
  9. Membranpumpe (10) zum Fördern eines Hilfsmediums, insbesondere einer wässrigen Harnstofflösung, mit einem mehrteiligen Gehäuse (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  10. Abgasnachbehandlungssystem mit einer Membranpumpe (10) nach Anspruch 9.
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