FR2943744A1

FR2943744A1 - Pompe rotative

Info

Publication number: FR2943744A1
Application number: FR0951875A
Authority: FR
Inventors: Francois Francini
Original assignee: Inergy Automotive Systems Research SA
Current assignee: Plastic Omnium Advanced Innovation and Research SA
Priority date: 2009-03-24
Filing date: 2009-03-24
Publication date: 2010-10-01
Also published as: CN102365460B; EP2411675A2; US20140271282A1; WO2010108959A3; CN102365460A; WO2010108959A2; US20120020820A1

Abstract

Pompe rotative destinée à pomper un fluide dans un système embarqué sur un véhicule et comprenant un stator, un axe de rotation solidaire à la fois d'un élément de pompage mécanique et d'un rotor aimanté, et des connexions électriques. Selon l'invention, le rotor, le stator et les connections électriques sont surmoulés de manière étanche à l'aide d'une matière plastique.

Description

Pompe rotative La présente invention concerne une pompe rotative pour un fluide corrosif tel que l'urée servant à dépolluer les gaz d'échappement des véhicules. Avec l'entrée en vigueur de normes de plus en plus sévères sur les émissions à l'échappement des véhicules et en particulier, des poids lourds, des dispositifs de dépollution des NOx (ou oxydes d'azote) ont dû être mis en place. Le système retenu par la plupart des constructeurs pour réduire les émissions de NOx à la valeur requise consiste à réaliser une réaction de catalyse sélective avec des réducteurs tels que l'urée ( Urea SCR ou Réduction Catalytique Sélective utilisant l'ammoniac généré in situ dans les gaz d'échappement par décomposition de l'urée). Pour ce faire, il est nécessaire d'équiper les véhicules d'un réservoir contenant une solution d'urée, d'un dispositif pour doser la quantité d'urée à injecter dans la ligne d'échappement et d'un dispositif d'alimentation en solution d'urée du dispositif pour doser la quantité d'urée à injecter. En général, le dispositif d'alimentation comprend une pompe rotative entraînée par un moteur. Un point commun des pompes à urée réside dans le fait qu'elles doivent idéalement présenter un encombrement limité pour une efficacité optimale (tant en termes de pression que de vitesse). Ces pompes sont généralement des pompes rotatives entraînées par un moteur de type quelconque, de préférence à couplage magnétique pour éviter le recours à des joints dynamiques. De manière particulièrement préférée, ces pompes son intégrées au (montées dans le) réservoir à urée, ce qui peut généralement être réalisé de deux façons : soit la pompe est montée par le haut, via une embase classique (ce qui est le cas dans la plupart des systèmes commerciaux actuels), soit elle est montée par le bas, sur une embase immergée. Cette dernière variante présente un avantage certain en termes de pertes de charge, mais nécessite de rendre d'entièreté de la pompe immersible. Ainsi, la demande FR 2918718 au nom de la demanderesse décrit une pompe rotative destinée à pomper de l'urée dans un système embarqué sur un véhicule et comprenant un stator, un axe de rotation solidaire à la fois d'un élément de pompage mécanique et d'un rotor aimanté, ce rotor comprenant au moins un évidement à travers lequel le fluide aspiré par l'élément de pompage 2943744 -2

mécanique est forcé. Cet élément de pompage mécanique comprend au moins deux engrenages dont l'un est solidaire de l'axe du rotor et l'autre, qui est entraîné par la rotation du précédent, est solidaire d'un second axe supporté par deux paliers. Dans cette pompe, le rotor aimanté est contenu dans un boîtier qui 5 est relié de manière étanche à une pipette de sortie (refoulement) de la pompe. Cette pompe comprend en outre une enceinte étanche, constituée d'un couvercle et d'une paroi cylindrique munie d'un fond et moulée d'une pièce avec une embase immergée, le stator de la pompe (constitué de bobines magnétiques) et les cartes électroniques du contrôleur de la pompe étant situés dans cette 10 enceinte. Une telle géométrie est relativement encombrante et implique le recours à un nombre relativement élevé de fixations étanches. Son coût de fabrication est également élevé. La présente invention a pour but de fournir une pompe susceptible d'être immergée entièrement dans un liquide corrosif tel que l'urée, qui est peu 15 encombrante, implique le recours à un faible nombre de fixations étanches et dont le coût de fabrication est réduit. A cet effet, la présente invention concerne une pompe rotative destinée à pomper un fluide dans un système embarqué sur un véhicule et comprenant un stator, un axe de rotation solidaire à la fois d'un élément de pompage mécanique 20 et d'un rotor aimanté, et des connexions électriques. Selon l'invention, le rotor, le stator et les connections électriques sont surmoulés de manière étanche à l'aide d'une matière plastique. De la sorte, ladite pompe peut entièrement être immergée dans un liquide corrosif tel que l'urée, et ce sans devoir comprendre d'enceinte étanche audit liquide permettant d'en isoler les composants sensibles 25 à la corrosion (élément électriques et électromagnétiques). La pompe selon l'invention est une pompe rotative de n'importe quel type connu entraînée par un moteur à couplage magnétique et dont le contrôle est de préférence électronique (géré par un ECM ou Electronic Control Module). L'invention donne de bons résultats avec un moteur dit BLDC (ou BrushLess 30 Direct Current motor) triphasé Le fluide auquel est destinée cette pompe est de préférence un agent réducteur susceptible de réduire les NOx présents dans les gaz d'échappement du moteur du véhicule. Il s'agit avantageusement d'un précurseur d'ammoniac en solution aqueuse. L'invention donne de bons résultats avec les solutions aqueuses d'urée et en particulier, les solutions eutectiques eau/urée telles que les solutions d'AdBlue° dont la teneur en urée est comprise entre 31,8 % et 33,2 % 2943744 -3

en poids et qui contiennent environ 18 % d'ammoniac. L'invention peut également s' appliquer aux mélanges urée/formate d'ammonium également en solution aqueuse, vendus sous la marque Denoxium et qui contiennent environ 13 % d'ammoniac. Ces derniers présentent comme avantage par rapport à l'urée, 5 le fait de ne geler qu'à partir de -35°C (par rapport à -11°C), mais présentent comme inconvénients, des problèmes de corrosion liés à la libération d'acide formique. Dans la pompe selon l'invention, l'effet de pompage (aspiration/refoulement) est essentiellement réalisé à l'aide d'un élément 10 mécanique solidaire d'un axe de rotation. On entend par là un élément dont la géométrie est telle que sa rotation crée un effet de pompage. De préférence, cet élément de pompage comprend au moins deux engrenages (roues dentées) qui permettent, par rotation, de transvaser et d'augmenter la pression du fluide. Par rapport aux pompes rotatives classiques à turbine (c.à.d. une pièce rotative muni 15 de pales ou d'ailettes), cette variante présente comme avantage d'avoir une bonne efficacité avec un gaz ou un liquide et quel que soit le sens de rotation. Les engrenages d'une telle pompe sont de préférence à base de métal fritté et plus particulièrement, d'un métal résistant à la corrosion tel que l'acier inox 316L. 20 Selon une variante particulièrement avantageuse de l'invention, l'élément de pompage est un gerotor (abréviation pour les termes anglais GEnerated ROTOR), c.à.d. un ensemble de deux engrenages intégrés, dont l'un est périphérique et l'autre, central. Un tel élément de pompage est particulièrement avantageux en ce qu'il implique un encombrement nettement moindre qu'un 25 élément à engrenages externes, en ce qu'il permet de supprimer un axe de rotation et en ce qu'il implique une symétrie axiale qui permet d'augmenter la rigidité structurelle de la pompe d'où des gains matière. Selon l'invention, l'axe de rotation de l'élément de pompage est solidaire d'un rotor aimanté qui peut être actionné (mis en rotation) par l'application d'un 30 champ magnétique. Par aimanté , on entend que le rotor comprend de préférence au moins un aimant. Cet aimant peut être unique et être traversé par l'axe de rotation. Alternativement, il peut s'agir de plusieurs aimants disposés (de préférence de manière symétrique) autour de l'axe. De manière tout particulièrement préférée, l'axe du rotor comprend deux extrémités guidées 35 chacune par un palier, de sorte à éviter un porte à faux et à permettre d'encore augmenter la rigidité structurelle de la pompe. 2943744 -4

Dans le cas où l'élément de pompage est un gerotor, l'axe de rotation est généralement solidaire de l'engrenage interne du gerotor. La pompe selon l'invention comprend également un stator pour appliquer un champ magnétique au rotor susmentionné, ce stator comprenant une ou 5 plusieurs bobines magnétiques. L' alimentation électrique de ces bobines est de préférence gérée de manière électronique comme expliqué précédemment, par un contrôleur auquel la pompe est reliée via une connexion englobée par simplicité dans les connexions dites électriques susmentionnés. 10 Selon l'invention, le rotor et le stator sont surmoulés de manière étanche à l'aide d'une matière plastique. On entend par là que le ou les aimant(s) et bobine(s) sont enrobés de matière plastique fondue que l'on laisse se solidifier. De préférence, il s'agit d'une matière plastique résistante à la corrosion et à la diffusion (perméabilité) de molécules telles que l'urée. Les résines de type 15 polyacétal et en particulier le polyoxyméthylène ou POM donne de bons résultats. Dans une variante qui donne de bons résultats en pratique, les connexions électriques sont surmoulées par l'enrobage du stator. Selon une variante préférée de l'invention, décrite dans la demande française susmentionnée dont le contenu à cet effet est incorporé par référence 20 dans la présente demande, le rotor aimanté comprend au moins un évidement à travers lequel le fluide aspiré par l'élément de pompage mécanique (engrenages de préférence) est forcé. De préférence, substantiellement tout le fluide aspiré est soumis successivement à l'action de l'élément mécanique et du rotor magnétique soit dans cet ordre, soit dans l'ordre inverse. De préférence, le fluide 25 est d'abord aspiré par l'élément mécanique et est ensuite forcé à travers l'évidement du rotor dont la rotation lui confère un mouvement (trajectoire) hélicoïdal associé à une certaine accélération. De manière particulièrement préférée, afin de promouvoir ce mouvement, l'évidement dans le rotor est muni d'un relief optimisé. 30 Alternativement ou en outre à ce passage central (à travers le rotor) pour le fluide, un interstice (espace généralement annulaire) est généralement prévu entre le rotor et le stator comme passage pour le fluide. Selon une 1ère variante, l'élément de pompage, le rotor et le stator sont compris (montés) dans une même enceinte servant à confiner la pression générée 35 par l'élément de pompage, et ce sans paroi intermédiaire entre le rotor et le stator. Un tel montage est particulièrement compact et permet de réduire 2943744 -5

l'entrefer rotor/stator, ce qui permet d'augmenter le rendement de la pompe (diminuer sa consommation électrique), mais il implique le passage des connexions électriques à travers l'enceinte sous pression. Il convient dès lors de particulièrement bien soigner le surmoulage de ces connexions. 5 Selon une deuxième variante, l'élément de pompage et le rotor sont montés dans une enceinte comprenant un couvercle et une partie inférieure qui sont assemblés de manière étanche l'un à l'autre à l'aide du stator et d'un système de fixation mécanique étanche comprenant par exemple un joint (de préférence, en un matériau résistant chimiquement tel qu'un élastomère ou un silicone fluoré) et 10 une baïonnette. Cette variante permet de ne pas trop grever le rendement électrique de la pompe (n'augmente que légèrement l'entrefer) mais est relativement délicat en termes d'étanchéité en particulier à long terme (compte tenu de la pression interne). Une troisième variante, plus sûre de ce point de vue, consiste à prévoir une 15 enceinte continue étanche dans laquelle on vient monter l'élément de pompage et le rotor et sur laquelle on vient fixer (de manière nettement moins critique) le stator. Elle implique toutefois une perte plus significative de rendement et un poids et un coût matière légèrement plus élevé. De manière préférée, l'enceinte dont il est fait référence dans les variantes 20 susmentionnées comprend un cylindre métallique (de préférence en acier inox). De préférence, ce cylindre est fermé en ses deux extrémités par des couvercles en matière plastique (de préférence à base d'un polymère tel que le PEEK (polyether-ether-ketone) ou le PPS (polyphenylene sulphide), ou tout autre polymère suffisamment inerte chimiquement et rigide. De manière tout particulièrement 25 préférée, le cylindre métallique est serti en ses extrémités sur les couvercles en plastique et ce de toute manière connue dans le domaine du cannage (fabrication de boîtes de conserve). Ces couvercles comprennent généralement respectivement pour l'un, une entrée et pour l'autre, une sortie pour le fluide à pomper. 30 Dans cette variante, l'élément de pompage (qui est de préférence un gerotor comme expliqué ci-dessus) est généralement compris dans un boîtier de préférence en matière plastique également, et qui comprend de préférence un guidage pour l'axe de rotation qui le traverse, ledit axe reposant sur le couvercle inférieur (par exemple sur une butée solidaire de celui-ci) et étant guidé à la fois 35 par le guidage susmentionné et par un guidage solidaire du couvercle supérieur. Il est entendu que par inférieur et supérieur , on entend la position des 2943744 -6

couvercles lors du montage de la pompe, ce qui ne conditionne nullement la position de la pompe en fonctionnement. De préférence, le boîtier qui contient le gerotor, le cas échéant, est intégré au couvercle inférieur. 5 La présente invention concerne également un procédé pour la fabrication d'une pompe telle que décrite ci-dessus, et comprenant les étapes suivantes: 1. sertissage d'une extrémité d'un cylindre métallique sur un couvercle en matière plastique pour obtenir un tube ouvert en une extrémité 2. insertion de l'élément de pompage et du rotor dans le tube 10 3. insertion d'un couvercle supérieur 4. sertissage de l'autre extrémité du cylindre sur le couvercle supérieur pour obtenir une enceinte résistante à la pression de fonctionnement de la pompe, ledit procédé comprenant en outre une étape d'insertion du stator dans l'enceinte autour du rotor, ou une étape de fixation du stator sur la surface externe de 15 l'enceinte. Enfin, la présente invention concerne également un réservoir à urée dans lequel est immergée une pompe telle que décrite ci-dessus. On entend par immergée , disposée de manière telle que lorsque le réservoir est plein (rempli à son niveau de remplissage maximal), au moins le rotor, le stator et les 20 connexions électriques sont en contact avec l'urée. L'invention est illustrée de manière non limitative par les figures 1 à 4 en annexe. Dans celles-ci, des numéros identiques désignent des éléments similaires voire identiques, à savoir: 1 : stator = bobine surmoulée de POM 25 2 : rotor = aimant surmoulé de POM 3 : axe de rotation du rotor 4 : gerotor comprenant un engrenage interne (4') et en engrenage externe (4") 5: tube métallique serti 6: couvercle inférieur avec guidage (6') et butée (6") 30 7 : couvercle supérieur avec guidage (7') et connexions surmoulées (7") 8 : tube interne Les figures 1 à 3 illustrent chacune schématiquement une variante différente de l'invention: - la figure 1 illustre une variante où le stator est intégré dans l'enceinte 35 pressurisée de la pompe - 7

- la figure 2 illustre une variante où le stator relie de manière étanche une partie inférieure et un couvercle de l'enceinte, de sorte à être située en dehors de celle-ci - la figure 3 illustre une variante où le stator est fixé à la surface latérale de l'enceinte et la figure 4 illustre le gerotor schématisé aux figures précédentes. La pompe illustrée à la figure 1 correspond à la variante décrite ci-dessus selon laquelle le stator (1) est situé dans l'enceinte pressurisée par la pompe, autour du rotor (2), et selon laquelle les connexions électriques (7") sont surmoulées de manière étanche par le couvercle (7), passant donc à travers l'enceinte pressurisée. La circulation du fluide est indiquée par les flèches. Il s'agit d'une figure schématique notamment en ce que la fixation/le support du rotor n'est pas illustrée (mais elle peut être réalisée de toute manière usuelle, bien connu de l'homme du métier) et en ce que le tube serti (5) est représenté par une ligne brisée aux angles, ce qui n'est bien évidemment pas le cas en pratique (les bords du cylindre étant rabattus et sertis sur les couvercles selon une technique de cannage). Le rotor (2) comprend un axe vertical (3) avec deux extrémités dont une est guidée par le guidage (6') du couvercle inférieur (6) et l'autre, par le guidage (7') du couvercle supérieur (7).

La pompe illustrée à la figure 2 correspond à la variante décrite ci-dessus selon laquelle le stator (1) relie de manière étanche les couvercles (6, 7) de sorte à constituer l'enceinte pressurisée de la pompe. Dans cette variante, les connexions électriques (7") sont surmoulées de manière étanche par la matière plastique surmoulant le stator (1), ne passant donc plus travers l'enceinte pressurisée. La circulation du fluide est toujours indiquée par les flèches et les zones de fixation étanche du stator (1) sur l'enceinte sont entourées par des traits pointillés. La pompe illustrée à la figure 3 correspond à la variante décrite ci-dessus selon laquelle le stator (1) est fixé sur l'enceinte pressurisée par la pompe. La circulation du fluide est toujours indiquée par les flèches. Dans cette variante, un tube intermédiaire (8) est inséré entre les couvercles (6, 7) et l'ensemble couvercle (6)/gerotor (4)/rotor (2)/tube (8)/couvercle (7) est serti par le tube (5) de sorte à former une enceinte étanche sur laquelle le stator (1) est fixé, avec les connexions électriques (7") à nouveau surmoulées de manière étanche par la matière plastique surmoulant le stator (1). 2943744 -8

Enfin, la figure 4 consiste en un schéma de principe du gerotor illustré aux figures précédentes et qui comprend donc un engrenage interne (4') solidaire de l'axe de rotation (3) qui comprend 6 dents et qui entraîne un engrenage externe (4") muni de 7 évidements. Le sens de rotation des engrenages et le sens de 5 circulation du fluide sont indiqués par des flèches. Les engrenages sont compris dans un boîtier qui est intégré au (réalise d'une pièce avec le) couvercle inférieur (6).

Claims

REVENDICATIONS1. Pompe rotative destinée à pomper un fluide dans un système embarqué sur un véhicule et comprenant un stator, un axe de rotation solidaire à la fois d'un élément de pompage mécanique et d'un rotor aimanté, et des connexions électriques, caractérisée en ce que le rotor, le stator et les connections électriques sont surmoulés de manière étanche à l'aide d'une matière plastique.
2. Pompe selon la revendication précédente, caractérisée en ce que l'élément de pompage mécanique comprend au moins deux engrenages à base de métal fritté.
3. Pompe selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'élément de pompage mécanique est un gerotor.
4. Pompe selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'axe de rotation comprend deux extrémités guidées chacune par un palier.
5. Pompe selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le rotor aimanté comprend au moins un évidement à travers lequel le fluide aspiré par l'élément de pompage mécanique est forcé.
6. Pompe selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'élément de pompage, le rotor et le stator sont compris (montés) dans une même enceinte servant à confiner la pression générée par l'élément de pompage, et en ce qu'il n'y a pas de paroi intermédiaire entre le rotor et le stator.
7. Pompe selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que l'élément de pompage et le rotor sont montés dans une enceinte comprenant un couvercle et une partie inférieure qui sont assemblés de manière étanche l'un à l'autre à l'aide du stator et d'un système de fixation mécanique étanche, et en ce qu'il n'y a pas de paroi intermédiaire entre le rotor et le stator.
8. Pompe selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que l'élément de pompage et le rotor sont montés dans une enceinte continue étanche sur laquelle est fixée le stator.- 10 -
9. Pompe selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisée en ce que l'enceinte comprend un cylindre métallique serti en ses deux extrémités sur des couvercles en matière plastique
10. Procédé pour la fabrication d'une pompe selon l'une quelconque des revendications précédentes, et comprenant les étapes suivantes: 1. sertissage d'une extrémité d'un cylindre métallique sur un couvercle en matière plastique pour obtenir un tube ouvert en une extrémité 2. insertion de l'élément de pompage et du rotor dans le tube 3. insertion d'un couvercle supérieur 4. sertissage de l'autre extrémité du cylindre sur le couvercle supérieur pour obtenir une enceinte résistante à la pression de fonctionnement de la pompe, ledit procédé comprenant en outre une étape d'insertion du stator dans l'enceinte autour du rotor, ou une étape de fixation du stator sur la surface externe de l'enceinte.
11. Réservoir à urée dans lequel est immergée une pompe selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 ou obtenue par un procédé selon la revendication 10.