DE102019213784A1 - Fluidpumpe und Fluidversorgungssystem - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Fluidpumpe (1) für ein gefrierfähiges Fluid, umfassend einen im Betrieb der Fluidpumpe fluiddurchströmten Pumpenraum (2) und einen vom Pumpenraum (2) getrennten Elektromotor (3) zum Antreiben der Fluidpumpe (1), wobei der Elektromotor (3) von einem Pumpenmotorgehäuse (4) umgeben ist. Die Fluidpumpe (1) zeichnet sicherfindungsgemäß durch mindestens ein Verbindungselement (5) zur wärmeübertragenden Verbindung des Pumpenmotorgehäuses (4) mit einem Kühlkörper (6) aus, wobei die Form des Verbindungselements (5) temperaturabhängig ist, so dass die Verbindung des Pumpenmotorgehäuses (4) mit dem Kühlkörper (6) bei vereisungsunkritischen Umgebungsbedingungen hergestellt und bei vereisungskritischen Umgebungsbedingungen unterbrochen ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Fluidpumpe für ein gefrierfähiges Fluid mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Bei dem Fluid kann es sich insbesondere um Wasser oder eine Lösung auf Wasserbasis, beispielsweise eine wässrige Harnstofflösung, handeln. Flüssigkeiten dieser Art finden in Verbrennungsmotoren als Betriebs- oder Hilfsstoff Einsatz. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Fluidversorgungssystem mit einer solchen Fluidpumpe.
  • Stand der Technik
  • Bekannt ist eine elektrische Kraftstoffpumpe für ein Kraftstoffversorgungssystem zur Förderung von Kraftstoff aus einem Kraftstofftank zu einer Abnahmestelle. Die Abnahmestelle kann beispielsweise ein Niederdruckanschluss einer Hochdruckpumpe oder ein Niederdruck-Kraftstoffrail sein. Die Pumpe wird hierzu von dem zu fördernden Medium, das heißt von Kraftstoff, durchströmt. Das zu fördernde Medium bzw. der Kraftstoff wird dabei zugleich zur Kühlung eines dem Antrieb der Pumpe dienenden Elektromotors eingesetzt.
  • Ist das zu fördernde Medium Wasser oder eine Lösung auf Wasserbasis, ist eine Kühlung eines dem Antrieb dienenden Elektromotors mit Hilfe des durchströmenden Mediums problematisch, da Korrosionsgefahr besteht. In der Regel ist daher bei einer Fluidpumpe, die der Förderung von Wasser oder einer Lösung auf Wasserbasis dient, der Elektromotor getrennt vom eigentlichen Pumpenelement in einem eigenen Pumpenmotorgehäuse untergebracht („trockener Pumpenmotor“). Dies hat jedoch zur Folge, dass die im Betrieb der Fluidpumpe anfallende Motorwärme nicht über die Fluidströmung abgeführt werden kann.
  • Um eine Überhitzung einer derartigen Fluidpumpe zu vermeiden, muss daher auf andere Art und Weise sichergestellt sein, dass die Motorwärme abgeführt wird. Zugleich muss bei tiefen Außentemperaturen Sorge getragen werden, dass in der Pumpe befindliches Fluid nicht gefriert oder - insbesondere im Startfall - schnell wieder auftaut, damit es als Betriebs- oder Hilfsstoff zur Verfügung steht. Das heißt, das abhängig von den Betriebs- und Umgebungsbedingungen nicht nur Wärme abgeführt, sondern unter Umständen auch Wärme zugeführt werden muss.
  • Mit der Lösung dieser Aufgabe befasst sich die vorliegende Erfindung. Insbesondere soll mit einfachen Mitteln eine bedarfsgerechte Wärmeabfuhr bzw. Temperierung einer elektromotorisch betriebenen Fluidpumpe für ein gefrierfähiges Fluid realisiert werden.
  • Zur Lösung der Aufgabe werden die Fluidpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie das Fluidversorgungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 8 angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die zum Fördern eines gefrierfähigen Fluids vorgeschlagene Fluidpumpe umfasst einen im Betrieb der Fluidpumpe fluiddurchströmten Pumpenraum und einen vom Pumpenraum getrennten Elektromotor zum Antreiben der Fluidpumpe. Der Elektromotor ist dabei von einem Pumpenmotorgehäuse umgeben. Die Fluidpumpe zeichnet sich erfindungsgemäß durch mindestens ein Verbindungselement zur wärmeübertragenden Verbindung des Pumpenmotorgehäuses mit einem Kühlkörper aus, wobei die Form des Verbindungselements temperaturabhängig ist, so dass die Verbindung des Pumpenmotorgehäuses mit dem Kühlkörper bei vereisungsunkritischen Umgebungsbedingungen hergestellt und bei vereisungskritischen Umgebungsbedingungen unterbrochen ist.
  • Ist eine Verbindung des Pumpenmotorgehäuses mit dem Kühlkörper über das mindestens eine Verbindungselement in wärmeübertragender Weise hergestellt, kann hierüber Wärme, insbesondere Motorwärme, aus dem Pumpenmotorgehäuse angeführt werden. Somit wird einer Überhitzung des Elektromotors entgegengewirkt. Ist die Verbindung über das mindestens eine Verbindungselement unterbrochen, was bei vereisungskritischen Umgebungsbedingungen der Fall ist, kann die Motorwärme zur Enteisung oder Eisfreihaltung der Fluidpumpe eingesetzt werden. Eine Enteisung kann beispielsweise erforderlich sein, wenn die Fluidpumpe bei vereisungskritischen Umgebungsbedingungen und nach längerem Stillstand wieder in Betrieb genommen werden soll, das heißt im Startfall. Über die Motorwärme kann dann eine schnelle Enteisung herbeigeführt werden.
  • Mit sich ändernden Umgebungsbedingungen, insbesondere mit sich ändernden Umgebungstemperaturen, ändert sich auch die Form des mindestens einen Verbindungselements. Der Vorgang muss dabei reproduzierbar sein, so dass sichergestellt ist, dass nach einer Unterbrechung der Verbindung des Pumpenmotorgehäuses mit dem Kühlkörper immer wieder eine Verbindung herstellbar ist, wenn sich die Umgebungsbedingungen von vereisungskritisch in vereisungsunkritisch gewandelt haben.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird daher vorgeschlagen, dass das mindestens eine Verbindungselement zumindest bereichsweise aus einer Formgedächtnislegierung hergestellt ist. Formgedächtnislegierungen sind spezielle Metalle, die in zwei unterschiedlichen Kristallstrukturen existieren können, wobei die jeweilige Struktur abhängig von der Temperatur ist. Ändert sich die Temperatur, ändert sich auch die Struktur aufgrund einer Gitterumwandlung. Durch die Verwendung von Metall ist zudem eine hohe Wärmeleitfähigkeit des mindestens einen Verbindungselements sichergestellt.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird vorgeschlagen, dass das mindestens eine Verbindungselement ein Bimetall-Element ist oder ein Bimetall-Element umfasst. Bimetall-Element bestehen aus zwei unterschiedlichen Metallen, die sich im Hinblick auf ihren Wärmeausdehnungskoeffizienten unterscheiden. Die beiden Metalle liegen aufeinander und sind in der Weise stoff- oder formschlüssig verbunden, dass sie sich bei einer Temperaturänderung unterschiedlich stark ausdehnen. Dies hat zur Folge, dass sich das Bimetall-Element verformt, insbesondere verbiegt. Die Verformung ist reversibel, sobald sich die ursprüngliche Temperatur wiedereinstellt.
  • Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass das mindestens eine Verbindungselement lediglich einseitig, vorzugsweise kühlkörperseitig, fixiert ist. Die lediglich einseitig Fixierung ermöglicht eine Verformung, insbesondere Verbiegung, des Verbindungselements, die zu einer Unterbrechung der Verbindung des Pumpenmotorgehäuses mit dem Kühlkörper führt. Erfolgt die Fixierung am Kühlkörper wird bereits die Wärmeübertragung vom Pumpenmotorgehäuse auf das mindestens eine Verbindungselement unterbrochen, so dass die Motorwärme vollständig im Bereich des Pumpenmotorgehäuses verbleibt. Die Motorwärme kann somit besonders effizient zur Enteisung oder Eisfreihaltung der Fluidpumpe genutzt werden.
  • Vorteilhafterweise weist das mindestens eine Verbindungselement an zumindest einem Ende, vorzugsweise seinem freien Ende, einen Wärmeabnehmer auf. Der Wärmeabnehmer dient der Maximierung des Kontaktbereichs und damit der Wärmeübertragung. Der Wärmeabnehmer ist hierzu bevorzugt aus einem Material gefertigt, das eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt. Vorzugsweise ist über den Wärmeabnehmer der Kontakt des Verbindungselements mit dem Pumpenmotorgehäuse herstellbar, während das andere Ende des Verbindungselements am Kühlkörper fixiert ist.
  • Bevorzugt ist das Verbindungselement streifenförmig und/oder laschenartig ausgebildet. In dieser Ausgestaltung kann sich das Verbindungselement besonders einfach verformen, insbesondere verbiegen. Zugleich kann in einfacher Weise ein ggf. vorhandener Abstand des Pumpenmotorgehäuses zum Kühlkörper überbrückt werden.
  • In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass mehrere Verbindungselemente um das Pumpenmotorgehäuse herum gleichmäßig verteilt angeordnet sind. Die mehreren Verbindungselemente fördern eine schnelle und gleichmäßige Wärmeabfuhr. Somit wird die Effizienz der Wärmeabfuhr gesteigert.
  • Das darüber hinaus zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe vorgeschlagene Fluidversorgungssystem zeichnet sich dadurch aus, dass es eine erfindungsgemäße Fluidpumpe mit einem Kühlkörper und mindestens einem Verbindungselement umfasst, dessen Form temperaturabhängig ist. Mit Hilfe des Fluidversorgungssystems können somit die gleichen Vorteile wie mit Hilfe der Fluidpumpe allein erzielt werden. Insbesondere kann bei vereisungskritischen Umgebungsbedingungen für eine Enteisung oder ein Eisfreihalten der Fluidpumpe mit Hilfe der Motorwärme des Elektromotors der Fluidpumpe gesorgt werden. Bei vereisungsunkritischen Umgebungsbedingungen ist über das mindestens eine Verbindungselement sichergestellt, dass die Motorwärme abgeführt wird.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Fluidversorgungssystem ein Wassereinspritzsystem für einen Verbrennungsmotor. Die Wassereinspritzung dient der Reduzierung der Klopfneigung des Verbrennungsmotors und der Senkung der Abgastemperatur. Die Einspritzung kann dabei direkt in einen Brennraum des Verbrennungsmotors oder in einen Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors erfolgen. Bei Verbrennungsmotoren mit Wassereinspritzung besteht die Gefahr, dass wasserführende Leitungen und/oder Komponenten bei tiefen Außentemperaturen vereisen und durch Eisdruck Schaden nehmen. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Fluidpumpe kann dem entgegengewirkt werden.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Fluidversorgungssystem ein Dosiersystem für einen gefrierfähigen Betriebs- oder Hilfsstoff, beispielweise eine wässrige Harnstofflösung. Die wässrige Harnstofflösung findet insbesondere in einem Abgasnachbehandlungssystem eines Verbrennungsmotors als Reduktionsmittel Einsatz. Da regelmäßig die Gefahr eines Gefrierens der wässrigen Harnstofflösung bei tiefen Außentemperaturen besteht, kommen hier die Vorteile der Erfindung ebenfalls besonders deutlich zum Tragen.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Fluidversorgungssystems mit einer erfindungsgemäßen Fluidpumpe,
    • 2 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Fluidpumpe für ein erfindungsgemäßes Fluidversorgungssystems bei vereisungsunkritischen Umgebungsbedingungen,
    • 3 eine Seitenansicht eines Verbindungselements der Fluidpumpe der 2,
    • 4 eine Seitenansicht der Fluidpumpe der 2 bei vereisungskritischen Umgebungsbedingungen, und
    • 5 eine weitere Seitenansicht des Verbindungselements des Fluidpumpe der 2.
  • Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
  • Der 1 ist beispielhaft ein Fluidversorgungssystem zu entnehmen, mit dessen Hilfe beispielsweise Wasser in einen Verbrennungsmotor (nicht dargestellt) einspritzbar ist. Das Fluidversorgungssystem umfasst einen Fluidtank 10 zur Bevorratung des Fluids und eine Fluidpumpe 1 zur Entnahme des Fluids aus dem Fluidtank 10. Mit Hilfe der Fluidpumpe 1 wird das dem Fluidtank 1 entnommene Fluid über eine Zulaufleitung 15 einem Rail 13 zugeführt. An das Rail 13 sind mehrere Einspritzventile 14 angeschlossen, mittels welcher das Fluid - beispielsweise in einen Luftansaugtrakt eines Verbrennungsmotors - einspritzbar ist.
  • Das dargestellte Fluidsystem weist in der Zulaufleitung 15 stromaufwärts der Fluidpumpe 1 einen Filter 11 zur Partikelabscheidung auf. Ferner ist ein Absperrventil 12 in der Zulaufleitung 15 angeordnet. Wird das Absperrventil 12 geschlossen und die Fluidpumpe 1 in umgekehrter Förderrichtung betrieben, kann Fluid aus dem Rail 13 über eine Rücklaufleitung 16 zurück in den Fluidtank 10 geführt werden. Auf diese Weise wird das Rail 13 entleert und ist vor Eisdruckschäden geschützt. Um ein Rücksaugen über die Rücklaufleitung 16 zu verhindern, ist in der Rücklaufleitung 16 ein Rückschlagventil 18 angeordnet. Stromaufwärts des Rückschlagventils 18 ist ferner eine Drossel 17 vorgesehen.
  • Die Fluidpumpe 1 des Fluidversorgungssystems der 1 wird mit Hilfe eines Elektromotors 3 angetrieben, der in einem Pumpenmotorgehäuse 4 aufgenommen und somit von einem fluiddurchströmten Pumpenraum 2 der Fluidpumpe 1 fluiddicht getrennt ist. Um Eisschäden an der Fluidpumpe 1 zu verhindern, ist diese analog der nachfolgend anhand der 2 bis 5 beschriebenen Fluidpumpe 1 ausgeführt.
  • Die 2 bis 5 zeigen eine erfindungsgemäße Fluidpumpe 1 mit einem fluiddurchströmten Pumpenraum 2 und einem außerhalb des Pumpenraums 2 in einem separaten Pumpenmotorgehäuse 4 angeordneten Elektromotor 3 als Pumpenantrieb. Die Fluidpumpe 1 umfasst ferner einen Kühlkörper 6 zur Wärmeabführung, insbesondere zur Abführung der Motorwärme. Hierzu ist das Pumpenmotorgehäuse 4 über mindestens ein Verbindungselement 5 mit dem Kühlkörper 6 verbunden. Vorzugsweise ist das Pumpenmotorgehäuse 4 von mehreren Verbindungselementen 5 umgeben (nicht dargestellt), die weiterhin vorzugsweise gleichmäßig um das Pumpenmotorgehäuse 4 herum angeordnet sind. Der Kontakt des mindestens einen Verbindungselements 5 mit dem Pumpenmotorgehäuse 4 ist über einen Wärmeabnehmer 9 hergestellt, der aus einem besonders wärmeleitfähigen Material hergestellt ist, so dass die Wärmeübertragung vom Pumpenmotorgehäuse 4 auf das Verbindungselement 5 verbessert wird. Der Wärmeabnehmer 9 ist hierzu an einem dem Pumpenmotorgehäuse 4 zugewandten Ende 8 des Verbindungselements 5 angeordnet. Andernends ist das Verbindungselement 5 am Kühlkörper 6 fixiert.
  • Wie insbesondere der 3 zu entnehmen ist, umfasst das Verbindungselement 5 ein streifenförmiges Bimetall-Element 7, an dessen Ende 8 der Wärmeabnehmer 9 angeordnet ist. 3 zeigt das Bimetall-Element 7 bei vereisungsunkritischen Umgebungsbedingungen. Der Streifen ist völlig gerade.
  • Wechseln die Umgebungsbedingungen, so dass vereisungskritische Bedingungen vorliegen, verformt sich das Bimetall-Element 7 des Verbindungselements 5, so dass der Wärmeabnehmer 9 den Kontakt zum Pumpenmotorgehäuse 4 verliert (siehe 4 und 5). Die Motorwärme des Elektromotors 3 wird nicht mehr über das mindestens eine Verbindungselement 5 abgeführt, sondern kann zur Eisfreihaltung oder Enteisung der Fluidpumpe 1 genutzt werden.

Claims (10)

  1. Fluidpumpe (1) für ein gefrierfähiges Fluid, umfassend einen im Betrieb der Fluidpumpe fluiddurchströmten Pumpenraum (2) und einen vom Pumpenraum (2) getrennten Elektromotor (3) zum Antreiben der Fluidpumpe (1), wobei der Elektromotor (3) von einem Pumpenmotorgehäuse (4) umgeben ist, gekennzeichnet durch mindestens ein Verbindungselement (5) zur wärmeübertragenden Verbindung des Pumpenmotorgehäuses (4) mit einem Kühlkörper (6), wobei die Form des Verbindungselements (5) temperaturabhängig ist, so dass die Verbindung des Pumpenmotorgehäuses (4) mit dem Kühlkörper (6) bei vereisungsunkritischen Umgebungsbedingungen hergestellt und bei vereisungskritischen Umgebungsbedingungen unterbrochen ist.
  2. Fluidpumpe (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Verbindungselement (5) zumindest bereichsweise aus einer Formgedächtnislegierung hergestellt ist.
  3. Fluidpumpe (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Verbindungselement (5) ein Bimetall- Element (7) ist oder ein Bimetall-Element (7) umfasst.
  4. Fluidpumpe (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Verbindungselement (5) lediglich einseitig, vorzugsweise kühlkörperseitig, fixiert ist.
  5. Fluidpumpe (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Verbindungselement (5) an zumindest einem Ende (8), vorzugsweise seinem freien Ende (8), einen Wärmeabnehmer (9) aufweist.
  6. Fluidpumpe (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (5) streifenförmig und/oder laschenartig ausgebildet ist.
  7. Fluidpumpe (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Verbindungselemente (5) um das Pumpenmotorgehäuse (4) herum gleichmäßig verteilt angeordnet sind.
  8. Fluidversorgungssystem mit einer Fluidpumpe (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend einen Kühlkörper (6) und mindestens ein Verbindungselement (5), dessen Form temperaturabhängig ist.
  9. Fluidversorgungsystem nach Anspruch 8, wobei das Fluidversorgungssystem ein Wassereinspritzsystem für einen Verbrennungsmotor ist.
  10. Fluidversorgungsystem nach Anspruch 8, wobei das Fluidversorgungssystem ein Dosiersystem für einen gefrierfähigen Betriebs- oder Hilfsstoff, beispielweise eine wässrige Harnstofflösung, ist.
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