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Die Erfindung betrifft eine elektrische Evaporations-Pumpe für Kraftfahrzeuge, die einen Gaseinlass-Port und einen Gasauslass-Port aufweist.
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Aus
DE 698 04 745 T2 und
US 2014/0017073 A1 sind elektrische Flüssigkeitspumpen bekannt.
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Elektrische Evaporations-Pumpen werden in Kraftfahrzeugen, die einen Kraftstofftank aufweisen, verwendet, um Kraftstoffdampf aus einer Kraftstoffdampfquelle zu einem Kraftstoffdampfziel zu pumpen. Bei der Kraftstoffdampfquelle kann es sich um den Kraftstofftank selbst oder um eine Dampfabsorptionseinheit handeln, die z.B. mit Aktivkohle als Absorptionsmedium gefüllt ist. Da die Absorptionseinheit eine begrenzte Gesamtabsorptionskapazität hat, muss das von dem Absorbens absorbierte Kraftstoffdampfgas von Zeit zu Zeit abgeleitet werden. Der Ableitungsvorgang wird von der elektrischen Evaporations-Pumpe vorgenommen, die unter Flüssigkeitsverbindung zwischen der Dampfabsorptionseinheit und dem Kraftstoffdampfziel angeordnet ist, welche z.B. die Gaseinlass-Sammelleitung eines Verbrennungsmotors sein kann.
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Alternativ wird die Evaporations-Pumpe zum Entgasen der Zylinderabdeckung oder des Kurbelgehäuses des Motors verwendet. Verschiedene Anordnungen, die eine Evaporations-Pumpe enthalten, sind in
DE 10 2011 051 828 A1 und in
US 5,931,141 A beschrieben. Bei der Evaporations-Pumpe handelt es sich generell um eine herkömmliche Gaspumpe. Es hat sich jedoch erwiesen, dass die Betriebslebensdauer einer herkömmlichen Gaspumpe, die als Evaporations-Pumpe verwendet wird, relativ kurz ist und der Verbrauch elektrischer Energie relativ hoch ist.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Evaporations-Pumpe mit längerer Betriebslebensdauer und reduziertem Verbrauch elektrischer Energie zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch eine elektrische Evaporations-Pumpe mit den in Anspruch 1 definierten Merkmalen gelöst.
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Die elektrische Evaporations-Pumpe gemäß der Erfindung ist mit einem Gasansaug-Port und mit einem Gasausstoß-Port versehen. Der Gasansaug-Port kann fluidisch mit einer Kraftstoffdampfquelle verbunden sein, z.B. mit einem Kraftstofftank oder mit einer Kraftstoffdampf-Absorptionseinheit. Der Gasausstoß-Port kann fluidisch mit einem Kraftstoffdampfziel wie z.B. einer Kondensationseinheit oder mit einem Gaseinlass-Sammelrohr eines Verbrennungsmotors verbunden sein.
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Die Gaspumpe weist einen eingekapselten Elektromotor auf, der einen Motor-Stator mit mindestens zwei elektromagnetischen Statorspulen und eine Rotorvorrichtung aufweist, die ein Pumpenrad mit Pumpenradflügeln, eine drehbare Rotorwelle und einen Motorrotor enthält. Der Motorrotor ist vorzugsweise als dauermagnetisierter Rotorkörper ausgebildet. Die Gaspumpe ist mit einer Trennkapselungsvorrichtung versehen, die den in einem gasfreien Abschnitt vorgesehenen Motorstator von dem in einem Gasabschnitt vorgesehenen Motorrotor trennt. In dem Gasabschnitt ist das gepumpte Gas vorhanden. Der gasfreie Abschnitt ist mittels der Trennkapselungsvorrichtung fluidisch von dem Gasabschnitt getrennt, so dass in dem gasfreien Abschnitt kein gepumptes Gas vorhanden ist. Der gasfreie Abschnitt kann mit Luft gefüllt sein, ist jedoch fluidisch von dem Gasabschnitt isoliert, in dem sich das gepumpte Gas befindet.
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Die Gaspumpe ist mit einer Lagervorrichtung versehen, die in dem Gasabschnitt angeordnet ist und die den Motorrotor an einem statischen Pumpengehäuse oder an einem statischen Pumpenrahmen drehbar lagert. Die Lagervorrichtung kann ein Rollenlager, ein Reiblager oder eine Kombination beider Lager-Typen sein. Vorzugsweise ist die Lagervorrichtung mit Rollenlagern versehen, und zwar aufgrund der hohen Drehgeschwindigkeit und den bei Reiblagern fehlenden Möglichkeiten der Lagerschmierung.
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Die Lagervorrichtung ist mit einem axialen Gasdurchlass versehen. Der axiale Gasdurchlass der Lagervorrichtung kann durch Zwischenräume und Spalte zwischen den benachbarten Rollenelementen eines Rollenlagers realisiert sein. Alternativ oder zusätzlich kann der axiale Gasdurchlass der Lagervorrichtung auch als Axialnut oder -kanal in einem festgelegten Teil der Lagervorrichtung oder in der die Lagervorrichtung tragenden statischen Rahmenstruktur vorgesehen sein.
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Die Rotorwelle ist ferner mit einem axialen Gasdurchlass versehen, und das Pumpenrad ist mit einem axialen Gasaustritts-Durchlass vorzugsweise stromaufwärts der Pumpenradflügel versehen, so dass durch die Lagervorrichtung, den Wellen-Gasdurchlass und den Pumpenrad-Gasaustrittsdurchlass ein Trocknungsgasweg realisiert wird. Das gepumpte Gas strömt axial durch den Lagervorrichtungs-Gasdurchlass zu dem distalen Ende des Gasabschnitts und strömt dann axial zurück in der Richtung des Pumpenrads durch den Rotorwellen-Gasdurchlass und schließlich durch den Pumpenrad-Austrittsdurchlass.
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Wenn die Rotorvorrichtung rotiert, ist der Gasdruck in der Mitte des Pumpenrads, wo der Gasaustritts-Durchlass angeordnet ist, im Vergleich mit dem Gasdruck radial außerhalb der Pumpenrad-Flügel relativ niedrig. Dies bewirkt, dass ein Trocknungsweg-Gasstrom von dem radial außerhalb der Pumpenrad-Flügel gelegenen Bereich zu dem Pumpenrad-Gasaustrittsdurchlass in der Mitte strömt. Das Pumpenrad ist vorzugsweise als Impeller mit einem axialen Pumpenrad-Einlass und einem radialen Pumpenrad-Auslass vorgesehen.
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Solange die Rotorvorrichtung rotiert, wird in dem Trocknungsgasweg ein kontinuierlicher Gasstrom bewirkt, so dass der Gasabschnitt kontinuierlich gelüftet wird. Folglich kann kein Kondensat, Kraftstoff oder Wasser in dem Gasabschnitt auftreten oder verbleiben, insbesondere nicht in den unzugänglichen Bereichen des Gasabschnitts. Da Feuchtigkeit und Kondensat kontinuierlich vermieden werden, wird die Korrosion in dem Gasabschnitt beträchtlich reduziert, und auch der mechanische Drehwiderstand wird beträchtlich reduziert.
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Generell kann der Rotorwellen-Gasdurchlass in Form einer oder mehrerer Axialnuten in dem Rotorschaft realisiert werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Wellen-Gasdurchlass durch eine axiale Wellen-Bohrung gebildet, die sich über die gesamte Axiallänge der Rotorwelle erstreckt.
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Vorzugsweise ist der Pumpenrad-Gasaustrittsdurchlass durch eine axiale mittlere Öffnung in dem Pumpenradkörper gebildet. In dem zentralen Bereich des Pumpenrads ist der Gasdruck relativ niedrig, so dass eine Austrittsöffnung in diesem Bereich, die das fluidische Ende des Trocknungsgaswegs bildet, zum Erzeugen eines kontinuierlichen Trocknungsgasweg-Stroms verwendbar ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein Eintritts-Gasdurchlass des Trocknungsgaswegs durch einen kreisförmigen Spalt zwischen dem drehbaren Pumpenrad und einem nichtdrehenden Teil des Pumpenrahmens, des Pumpengehäuses oder eines anderen statischen Teils der Pumpe gebildet. Das Pumpenrad ist vorzugsweise mit einer Basisscheibe versehen, von der die Pumpenradflügel axial abstehen. Der Eintritts-Gasdurchlass des Trocknungswegs ist vorzugsweise durch einen kreisförmigen Spalt zwischen der Pumpenrad-Basisscheibe und einem weiteren kreisförmigen statischen Teil der Pumpe gebildet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann der durch das Pumpenrad und einen nichtdrehenden Teil des Pumpenrahmens oder Pumpengehäuses gebildete Gaseintritts-Durchlass mit einer kreisförmigen Labyrinthdichtung versehen sein, so dass der gesamte radiale Eintrittsstrom auf eine maximale Trockengasweg-Rate beschränkt und moderiert wird, die hinreichend ist, um eine Konzentration und Feuchtigkeit in dem Gasabschnitt zu vermeiden.
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Vorzugsweise ist ein Motorrotor-Gasdurchlass durch einen kreisförmigen Spalt zwischen dem Motorrotor und der Trennkapselungsvorrichtung gebildet. Als Alternative oder zusätzlich zu dem kreisförmigen Spalt kann eine axiale Nut, die in der Trennkapselungsvorrichtung und/oder in dem Motorrotorkörper vorgesehen ist, als Motorrotor-Gasdurchlass dienen.
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Vorzugsweise ist eine elektronische Motorsteuerung vorgesehen, die axial zwischen dem Motorstator und dem Pumpenrad angeordnet ist und die vorzugsweise die Lagervorrichtung umgibt. Die elektronische Motorsteuerung führt den elektromagnetischen Statorspulen auf der Basis eines Kommutationsschemas elektrische Energie zu. Die Anordnung der Motorsteuerelektronik axial zwischen dem Motorstator und dem Pumpenrad ermöglicht einen guten mechanischen Schutz der Elektronik gegenüber Umwelteinflüssen.
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Im Folgenden wird eine Ausführungsform der Erfindung im Zusammenhang mit der beigefügten Zeichnung beschrieben, in der die Figur einen Längsquerschnitt durch die elektrische Evaporations-Pumpe mit einem durch den Gasabschnitt des Elektromotors verlaufenden Trocknungsgasweg zeigt.
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Die Figur zeigt eine elektrische Evaporations-Pumpe 10 zum Pumpen von Kraftstoffdampf aus einer Kraftstoffdampfquelle zu einem Kraftstoffdampfziel, z.B. von einer Kraftstoffdampf-Absorptionseinheit zu einer Einlass-Sammelleitung eines Verbrennungsmotors. Die Gaspumpe 10 ist zum Pumpen von Gas geeignet, jedoch ungeeignet zum Pumpen einer Flüssigkeit. Die Gaspumpe 10 ist mit einem Pumpengehäuse 11 versehen, das einen axialen Gasansaug-Port 50 und einen radialen Gasausstoß-Port 52 aufweist. Die Gaspumpe 10 ist versehen mit einem Pumpenabschnitt, der ein Impeller-Pumpenrad 18 und die Ports 50,52 aufweist, und mit einem Motorabschnitt, der einen eingekapselten Elektromotor 30 und eine Motorsteuerung 40 aufweist. Die Motorsteuerung 40, die eine gedruckte Leiterplatte 41 aufweist, ist in einer ringförmigen Elektronikkammer 83 axial zwischen dem Pumpenabschnitt und dem Elektromotor 30 angeordnet.
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Das Pumpengehäuse 11 weist im Wesentlichen zwei getrennte Teile auf, nämlich das Motorabschnittsgehäuse 12 und das Pumpenabschnittsgehäuse 14. Beide Abschnittsgehäuse 12,14 sind durch massive Plastik-Gehäusekörper 13,15 gebildet. Das Motorabschnittsgehäuse 12 weist zahlreiche Statorspulen 33 eines Motorstators 32 auf und umgibt diese. Die Statorspulen 33 sind in dem Plastik-Motorgehäusekörper 13 eingebettet. Der Motorgehäusekörper 13 bildet ferner die ringförmige Motorsteuerelektronikkammer 83, in der die elektronische Motorsteuerung 40 untergebracht ist. Die Motorsteuerung 40 ist durch passive und aktive elektronische Elemente auf der gedruckten Leiterplatte 41 gebildet.
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Die Gaspumpe 10 ist mit einer drehbaren Rotorvorrichtung 16 versehen, die ein Plastik-Pumpenrad 18, ein elastisches Kupplungselement 21, eine Metall-Rotorwelle 20 und einen Motorrotor 34 mit einem Motorrotorkörper 80 aufweist, welcher mit Permanentmagneten versehen ist, die zahlreiche Magnetrotorpole definieren. Die Rotorwelle 20 trägt zur gemeinsamen Drehung das elastische Kupplungselement 21, welche direkt das Pumpenrad 18 trägt. Das elastische Kupplungselement 21 erlaubt dem Pumpenrad 18, in einem beschränkten Bereich zu kippen, so dass ein durch Feststoffpartikel verursachtes Blockieren und Verkanten des Pumpenrads 18 vermieden werden kann.
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Das Plastik-Pumpenrad 18 ist mit zahlreichen Pumpenradflügeln 19 versehen, die axial von einem Pumpenrad-Basisscheibenkörper 54 abstehen, der im Wesentlichen in einer radialen Ebene angeordnet ist. Der Pumpenrad-Basisscheibenkörper 54 ist in seiner axialen Mitte mit einer Axialmittenöffnung 57 versehen, die einen Trocknungsgas-Austrittsdurchlass 55 bildet.
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Die Rotorwelle 20 ist durch einen Metall-Rotorwellenkörper 22 gebildet, der mit einer axialen Wellenbohrung 25 versehen ist, die einen axialen Trocknungsgas-Durchlass 24 bildet. Das distale Ende der Wellenbohrung 25 bildet eine Trocknungsgas-Einlassöffnung 28, und das proximale Ende der Wellenbohrung 25 bildet eine Trocknungsgas-Auslassöffnung 26.
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Die Rotorvorrichtung 16 ist von einer Lagervorrichtung 36, die zwei Rollenlager 37,38 aufweist, drehbar gehalten. Die Lagervorrichtung 36 ist axial zwischen dem Motorrotor 34 und dem Pumpenrad 18 angeordnet. Die Lagervorrichtung 36 ist mit einem axialen Gasdurchlass 70 versehen, der ein axiales Strömen des gepumpten Trocknungsgases axial durch die Lagervorrichtung 36 ermöglicht. Im Fall der hier beschriebenen Rollenlager 37,38 ist der axiale Gasdurchlass durch die Zwischenräume zwischen den Rollenelementen des Rollenlagers 37,38 gebildet. Zusätzlich ist die Lagervorrichtung 36 mit einem zweiten axialen Gasdurchlass versehen, der durch drei axiale Nuten 106 gebildet ist, die in dem zylindrischen Zylinderabschnitt 84 des Kapselungskörpers 60 vorgesehen sind. Selbst falls die axialen Nuten 106 nicht Teil der Rollenlager 37,38 sind, bilden sie ebenfalls axiale Lagervorrichtungs-Gasdurchlässe im Sinn der Patentansprüche. Die axialen GasdurchlassNuten 106 transportieren 50% bis 80% des durch den Trocknungsweg strömenden Gases. Dies bedeutet, dass ein Auswaschen des Schmierfetts der Rollenlager 37,38 verhindert wird.
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Der Pumpengehäusekörper 15 bildet einen Pumpenspirale 56, die das Pumpenrad radial umgibt und fluidisch in einen radialen Pumpenauslasskanal 53 führt, der fluidisch an dem Gasausstoß-Port 52 der Pumpe endet.
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Die Gaspumpe 10 ist mit einer Trennkapselungsvorrichtung 82 versehen, die den Motorstator 32, der in einem gasfreien Abschnitt angeordnet ist, fluidisch von der Motor-Rotorvorrichtung 16 trennt, die in einem Gasabschnitt angeordnet ist. In dem Gasabschnitt ist das gepumpte Gas vorhanden, während in dem gasfreien Abschnitt kein gepumptes Gas vorhanden ist. Es kann jedoch ein anderes Gas wie z.B. Luft in dem gasfreien Abschnitt vorhanden sein. Insbesondere ist die Elektronikkammer 83 mit Luft gefüllt, ist jedoch nicht mit gepumptem Gas gefüllt. Die Trennkapselungsvorrichtung 82 weist die zylindrische Innenfläche des Motorabschnitts-Gehäusekörpers 13 und einen separaten Blech-Kapselungskörper 60 auf.
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Der Kapselungskörper 60 weist einen im Wesentlichen zylindrischen Zylinderabschnitt 84 und einen Ringscheibenabschnitt 85 auf, der im Wesentlichen in einer radialen Ebene liegt. Der kreisförmige Rand 91 des Ringscheibenabschnitts 85 des Kapselungskörpers 60 ist zwischen entsprechende Flansche des Pumpengehäusekörpers 15 und des Motorgehäusekörpers 13 geklemmt. Beide Flansche sind mit einer jeweiligen kreisförmigen Nut 87,89 versehen. In beide kreisförmigen Nuten 87,89 ist ein jeweiliger Dichtring 88,90 eingesetzt. Die kreisförmigen Nuten 87,89, die kreisförmigen Dichtringe 88,90 und der kreisförmige Rand 91 des Ringscheibenabschnitts 85 sind axial miteinander ausgerichtet, so dass eine zuverlässige Dichtungsanordnung realisiert wird.
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Die äußeren zylindrischen Flächen der Rollenlager 37,38 sind durch Klemmen an der inneren zylindrischen Fläche des Trenn-Kapselungs-Zylinderabschnitts 84 fixiert. Die Außenfläche des Trenn-Kapselungs-Zylinderabschnitts 84 ist ebenfalls durch Klemmen zum Teil an einem zylindrischen Abschnitt des Motorgehäusekörpers 13 fixiert. Die Flüssigkeitsdichtung ist durch einen Dichtring 92 realisiert, der zwischen der Außenfläche des Trenn-Kapselungs-Zylinderabschnitts 84 und der inneren zylindrischen Fläche des Motorgehäusekörpers 13 angeordnet ist.
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Der kreisförmige Spalt zwischen der Basisscheibe 54 des Pumpenrads 18 und dem Ringscheibenabschnitt 85 des Kapselungskörpers 60 bildet einen kreisförmigen Eintritts-Trocknungsgasdurchlass 77 eines Trocknungsgaswegs, der von dem Eintritts-Trocknungsgasdurchlass 77 zu dem Auslass-Trocknungsgasdurchlass 55 verläuft. Der kreisförmige Spalt ist mit einer Labyrinthdichtung 100 versehen, die durch einen kreisförmigen axialen Dichtungs-Landring 102 an der Rückseite des Scheibenabschnitts 85 des Kapselungskörpers 60 und durch eine entsprechende kreisförmige axiale Nut an der Vorderseite des Ringscheibenabschnitts 85 des Kapselungskörpers 60 gebildet ist. Die Labyrinthdichtung 100 definiert die maximale Strömung durch den Trocknungsgasweg, so dass die durch den Trocknungsgasweg gebildete pneumatische Abkürzung die pneumatische Effizienz der Gaspumpe 10 nicht signifikant beeinträchtigt.
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Der Motorgehäusekörper 13 ist an seiner zylindrischen Innenfläche, die den Motorrotorkörper 80 umgibt, mit einer oder mehreren axialen Gasdurchlassnuten 17 versehen, die es ermöglichen, dass ein axialer Trocknungsgasstrom in axialer Richtung durch den Motorrotor 34 hindurchtritt.
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Wenn die Gaspumpe 10 aktiv ist, rotiert der Elektromotor 30, so dass sich auch das Pumpenrad 18 dreht. Das Pumpenrad pumpt das Gas, bei dem es sich um Kraftstoffdampf handelt, axial durch den axialen Gasansaug-Port 50 und radial nach außen in die Pumpenspirale 56, aus der das Gas durch den Auslasskanal 53 zu dem Gasausstoß-Port 52 strömt.
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Der Gasdruck vor dem Pumpenrad 18 ist niedriger als der Gasdruck in der Pumpenspirale 56. Dies bewirkt einen Trocknungsgasstrom von dem Trocknungsgaseintritts-Durchlass 77 entlang des Trocknungsgaswegs zu dem Trocknungsgas-Austrittsdurchlass 55. Der Trocknungsgasweg weist den kreisförmigen Trocknungsgas-Eintrittsdurchlass 77, die axialen Gasdurchlässe 70, 106 der Lagervorrichtung 36, die axialen Gasdurchlassnuten 17 an dem Motorgehäusekörper 13, den axialen Gasdurchlass 24 der Rotorwelle 20 und den Trocknungsgas-Austrittsdurchlass 55 des Pumpenrads 18 auf.
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Solange sich das Pumpenrad 18 dreht, bewirkt die Druckdifferenz zwischen dem Gasansaug-Port 50 und dem Gasausstoß-Port 52 einen Trocknungsgasstrom durch den Trocknungsgasweg, so dass kein relevantes Kondensat des gepumpten Gases in dem Gasabschnitt der Gaspumpe 10 verbleibt.
