FR3052821A1

FR3052821A1 - Pompe a fluide motorisee a rechauffement ameliore

Info

Publication number: FR3052821A1
Application number: FR1655691A
Authority: FR
Inventors: Gael Andrieux; Benjamin Thierry; Jonas Monnin
Original assignee: Sonceboz Automotive SA
Current assignee: Sonceboz Automotive SA
Priority date: 2016-06-20
Filing date: 2016-06-20
Publication date: 2017-12-22
Anticipated expiration: 2036-06-20
Also published as: FR3052821B1; WO2017220475A1; EP3472468A1

Abstract

L'invention présente une pompe (1) motorisée pour le pompage d'un fluide comprenant un moteur électrique et constitué d'un conteneur (20) et d'un ensemble statorique (2), ledit ensemble statorique (2) présentant un ensemble de tôles ferromagnétiques formant des dents s'étendant radialement et définissant des espaces inter-dentaires et un volume intérieur, lesdites dents portant, chacune ou en partie, des bobines électriques, ledit conteneur (20) étant logé dans ledit volume intérieur, isolé hermétiquement dudit ensemble statorique (2), et comprenant un rotor formé d'une alternance de pôles aimantés, le conteneur (20) étant formé d'une enveloppe (21) enfermant ledit rotor, d'un élément de pompage actionné par ledit rotor, et des canaux de circulation (16, 17) dudit fluide permettant la circulation dudit fluide vers et hors de l'élément de pompage, caractérisé en ce que l'ensemble statorique (2) présente un surmoulage en une matière plastique ayant un coefficient de conduction thermique supérieure à celui de l'air, en ce que ledit surmoulage englobe l'ensemble de tôles et les bobines électriques et en ce qu'il remplit les espaces inter-dentaires.

Description

POMPE A FLUIDE MOTORISEE A RECHAUFFEMENT AMELIORE DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION

[0001] L'invention se rapporte au domaine des pompes électriques destinées à gérer le flux de fluide. Plus particulièrement, elle se rapporte aux pompes motorisées devant fonctionner à des températures ambiantes pouvant descendre en-dessous du point de fusion du fluide à pomper.

[0002] De manière préférentielle mais non limitative, la présente invention concerne plus particulièrement le domaine des pompes à base d’urée utilisées dans le cadre de la réduction catalytique sélective (RCS ou bien acronyme SCR en anglais) et nécessitant de fonctionner sous des températures ambiantes inférieures à -20°C alors que le point de fusion du mélange est de l’ordre de -10°C à -15°C.

[0003] La réduction catalytique sélective permet de réduire efficacement les émissions d’oxyde d’azote (NOx) des véhicules motorisés grâce à un mécanisme d’oxydoréduction combinant ces NOx à un agent réducteur à base d’urée ou d’ammoniac afin de réaliser une décomposition libérant majoritairement de l’azote et de l’eau.

[0004] Afin que ce mécanisme de décomposition soit mis en oeuvre le plus rapidement possible lors de la mise en marche du véhicule, et ce même dans les conditions de température ambiante froides (typiquement inférieur à -15°C), il convient de pouvoir réchauffer au plus vite l’agent réducteur, c’est-à-dire lui faire passer son point de fusion, afin que le fluide puisse être pompé d’un réservoir et être injecté vers la chambre de réduction.

ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE

[0005] Il est déjà connu la possibilité de réchauffer le réservoir contenant l’agent réducteur. Par exemple, le document US9273584 propose de réchauffer un réservoir d’urée grâce à l’emploi de pistes résistives flexibles pouvant, à partir d’une position centrale dans le réservoir, se répartir dans le réservoir afin de créer une nappe. Sous l’action d’un courant électrique, par effet Joule, cette nappe permettra de réchauffer l’urée et permettre de passer le point de fusion et favoriser un pompage plus rapide.

[0006] Cependant, ce type de dispositif ne permet pas de réchauffer rapidement le mélange réducteur qui est encore dans le corps de pompe. Si l’agent réducteur reste à l’état solide dans le corps de pompe, bien que celui-ci soit devenu liquide dans le réservoir, le pompage ne pourra commencer. La mise en action du mécanisme global est ainsi tributaire du réchauffement de l’agent réducteur dans le corps de pompe.

[0007] Un exemple de corps de pompe motorisé typique pour cette application est présenté dans la demande US20130071268. Il s’agit d’un corps de pompe réalisant un pompage grâce à un réducteur à engrenages motorisé sous l’action d’un moteur électrique, généralement sans balai. Le mélange d’urée étant très corrosif et pouvant dégrader rapidement les propriétés physiques du moteur, il est indispensable d’isoler le corps de pompe du stator du moteur. Cette demande présente, par exemple, l’utilisation d’un mur ou d’une enveloppe protectrice isolant le fluide du stator bobiné du moteur.

[0008] A partir de ce document, il est possible d’imaginer réchauffer le mélange d’urée grâce à la chaleur dissipée par effet Joule dans les bobines du moteur électrique. Cependant, la distance relativement importante nécessaire entre le stator et le corps de pompe, du fait des épaisseurs du conteneur et de l’entrefer entre les dents (ou pôles) bobinés du stator, ne permet pas un réchauffement rapide.

[0009] Un autre exemple de corps de pompe motorisé est présenté dans le brevet EP2273121, présentant, de même, un conteneur ou enveloppe enfermant la pompe à engrenages d’une part et aussi le rotor aimanté d’un moteur électrique d’autre part. L’ensemble rotor et corps de pompe est ainsi complètement isolé du stator du moteur électrique.

[0010] Les documents de l’état de l’art cités précédemment présentent les éléments de base de la technologie SCR permettant un fonctionnement satisfaisant du mécanisme même lorsque la température ambiante est froide.

[0011] Cependant, le problème du réchauffement rapide de l’agent réducteur à l’intérieur du corps de pompe n’est pas directement adressé, ce réchauffement étant donc réalisé typiquement par l’action conjointe de système de réchauffement du réservoir tel que présenté par le brevet US9273584 et par la faible action à distance du stator bobiné.

EXPOSE DE L’INVENTION

[0012] La présente invention vise à pallier les inconvénients de l’état de la technique en permettant un réchauffement plus rapide de l’agent réducteur ou, plus généralement, du fluide solidifié à l’intérieur du conteneur à l’intérieur duquel est situé le mécanisme de pompe. Cela est réalisé par la réalisation astucieuse d’un surmoulage du stator permettant de diffuser plus rapidement la chaleur produite par les bobines du stator du moteur électrique vers le conteneur enfermant les éléments de pompage et le rotor du moteur électrique.

[0013] Le procédé de réchauffement du conteneur consiste à installer, pendant un temps nécessaire à la liquéfaction du fluide à pomper, un courant constant ou variable dans les bobines du stator afin de favoriser la diffusion thermique de la puissance dissipée par les bobines par effet Joule vers le conteneur par le biais du surmoulage. L’utilisation d’une enveloppe de conteneur en un matériau conducteur électrique et amagnétique (par exemple un inox) permettra, en cas d’utilisation d’un courant de réchauffement variable, de compléter ce réchauffement par échauffement de l’enveloppe grâce aux courants induits par effet inductif (courants de Foucault).

[0014] Pour ce faire, la présente invention propose de réaliser un surmoulage du stator ayant une conductivité supérieure à celle de l’air, ce surmoulage permettant avantageusement de combler l’espace entre les dents du stator pour former un corps de diffusion thermique à proximité ou au contact du conteneur. Cette diffusion améliorée permet de réchauffer plus vite le fluide contenu dans le conteneur. Il a été observé, de manière surprenante, des gains en temps de réchauffement allant jusqu’à un facteur 2 quand comparé avec un moteur ne présentant pas un tel surmoulage.

[0015] Plus particulièrement, l’invention fait référence à une pompe motorisée pour le pompage d’un fluide comprenant un moteur électrique et constitué d’un conteneur et d’un ensemble statorique, ledit ensemble statorique présentant un ensemble de tôles ferromagnétiques formant des dents s’étendant radialement et définissant des espaces inter-dentaires et un volume intérieur, lesdites dents portant, chacune ou en partie, des bobines électriques, ledit conteneur étant logé dans ledit volume intérieur, isolé hermétiquement dudit ensemble statorique, et comprenant un rotor formé d’une alternance de pôles aimantés, le conteneur étant formé d’une enveloppe enfermant ledit rotor, d’un élément de pompage actionné par ledit rotor, et des canaux de circulation dudit fluide permettant la circulation dudit fluide vers et hors de l’élément de pompage, caractérisé en ce que l’ensemble statorique présente un surmoulage en une matière plastique ayant un coefficient de conduction thermique supérieure à celui de l’air, en ce que ledit surmoulage englobe l’ensemble de tôles et les bobines électriques et en ce qu’il remplit les espaces inter-dentaires.

[0016] Dans un premier mode de réalisation, l’ensemble statorique est surmoulé avant mise en place du conteneur et ledit surmoulage laisse affleurant les extrémités des dents de l’ensemble statorique ; mais il peut être envisagé que l’ensemble statorique soit surmoulé avant mise en place du conteneur et que le surmoulage recouvre les extrémités des dents de l’ensemble statorique. Il peut aussi être envisagé que l’ensemble statorique soit surmoulé avec le conteneur en place de sorte que le surmoulage soit en contact avec ledit conteneur.

[0017] De manière générale, le surmoulage définit une cavité d’une section complémentaire à la section extérieure dudit conteneur.

[0018] Lorsque le conteneur placé après surmoulage, la distance radiale entre l’ensemble statorique surmoulé et le conteneur est inférieure à 0,5 mm.

[0019] De manière préférentielle, la conductivité thermique de ladite matière plastique est supérieure à 0,2 W/m/K.

[0020] De manière préférentielle encore, l’élément de pompage est une pompe à engrenages et la pompe est à urée destinée à un véhicule automobile ou à un camion.

[0021] De manière générique, le stator surmoulé comprend un ensemble de pistes conductrices alimentant les bobines électriques, lesdites pistes sortant à l’une de leurs extrémités par un connecteur formé par ledit surmoulage.

[0022] Ces pistes peuvent être situées derrière le rotor ou entre le rotor et les entrées/sorties de l’élément de pompage ou bien l’ensemble statorique surmoulé présente des oreilles de fixation et lesdites pistes sont positionnées au niveau des oreilles de fixation.

[0023] L’objet de l’invention est aussi de proposer un procédé de montage d’une pompe motorisée telle que définit précédemment caractérisé en ce que le conteneur est positionné et maintenu en place sur l’ensemble statorique grâce à la force magnétique exercée entre le rotor et l’ensemble statorique et en ce que l’ensemble formé par le conteneur et l’ensemble statorique surmoulé est placé et fixé dans un logement de l’application sans pièce additionnelle de montage.

[0024] Un autre objet de l’invention est de proposer un procédé de fabrication d’une pompe motorisée caractérisé en ce qu’il comporte une étape d’insertion du conteneur à l’intérieur du volume intérieur défini par les dents de l’ensemble statorique et une étape d’injection d’une résine de surmoulage ayant un coefficient de conduction thermique supérieur à celui de l’air.

BREVE DESCRIPTION DES FIGURES

[0025] D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront à la lecture qui suit d’exemples de réalisation détaillés, en référence aux figures annexées qui représentent respectivement : [0026] la figure 1, une vue générale de côté d’un exemple de réalisation d’une pompe selon l’invention, [0027] la figure 2, une vue en coupe axiale d’un exemple de réalisation d’une pompe selon l’invention, [0028] la figure 3, une vue en coupe axiale d’un mode de réalisation particulier de l’ensemble statorique dont les pôles sont affleurant au surmoulage, dont le connecteur est disposé parallèlement à l’axe de l’ensemble statorique et dont les pistes de connexion électriques sont disposées du côté opposé aux points de fixations, [0029] la figure 4, une vue en coupe axiale d’un mode de réalisation particulier de l’ensemble statorique dont les pôles sont affleurant au surmoulage, dont le connecteur est disposé parallèlement à l’axe de l’ensemble statorique et dont les pistes de connexion électriques sont disposées du même côté que les points de fixations, [0030] la figure 5, une vue du mécanisme de pompage et plus précisément des deux engrenages dont il est formé, [0031] la figure 6, une vue de côté du sous-assemblage contenant l’élément de pompage, [0032] les figures 7a et 7b, respectivement une vue éclatée de la pompe avec son support de fixation, et une vue assemblée de la pompe sur le support de fixation, [0033] la figure 8, une réalisation alternative où la pompe est solidarisée avec le l’ensemble statorique par surmoulage, [0034] la figure 9 une vue en coupe axiale d’un mode de réalisation particulier de l’ensemble statorique dont les pôles sont recouvert par le surmoulage, dont le connecteur est disposé perpendiculairement à l’axe de l’ensemble statorique et dont les pistes de connexion électriques sont disposées du côté opposé aux points de fixations, [0035] la figure 10 une vue en coupe transversale de la figure 4, [0036] les figures 11a et 11b respectivement une vue en perspective de l’ensemble statorique et une vue en coupe d’une pompe selon un mode de réalisation particulier utilisant des sondes de Hall servant à la commutation du moteur.

DESCRIPTION DETAILLEE D’UN MODE DE REALISATION

[0037] Les figures 1 et 2 représentent une vue externe de la pompe selon un premier exemple de réalisation.

[0038] La pompe (1) est constituée, vue de l’extérieur, d’un moteur électrique formé d’un ensemble statorique (2) surmoulé à l’intérieur duquel un conteneur (20) est inséré. Ce conteneur (20) comprend notamment une enveloppe (21) entourant un élément de pompage (3), un rotor (6) du moteur électrique ainsi que des canaux (16, 17) de circulation du fluide à pomper. L’ensemble statorique (2) surmoulé comporte des oreilles de fixation (4) ainsi qu’un connecteur électrique (5). Ce connecteur (5) est ici orienté perpendiculairement à l’axe de la pompe (1) mais il est également possible d’envisager une sortie du connecteur dans la direction parallèle à l’axe de la pompe (1), comme représenté à la figure 3 par exemple. L’ensemble statorique (2) surmoulé est formé par un paquet de tôles (14) ferromagnétiques.

[0039] Comme montré à la figure 2, l’ensemble statorique (2) surmoulé comprend également des pistes de connexion (9) également surmoulées. Les pistes de connexion (9) permettent de relier électriquement les bobines (13) de l’ensemble statorique (2) surmoulé au connecteur (5).

[0040] Ces pistes de connexion (9) peuvent être situées soit du côté opposé à l’ouverture de l’ensemble statorique (2) surmoulé, comme montré en figure 3, soit du même côté que l’ouverture de l’ensemble statorique (2) surmoulé comme montré en figure 4. Sur ces figures 3 et 4, on voit définit le volume intérieur (23) par l’ensemble statorique (2) et dans lequel se loge le conteneur (20).

[0041] La figure 10 est une vue en coupe de la figure 4 où l’on pointe les espaces inter-dentaires (24). Il s’agit des volumes situés entre les dents (19) de l’ensemble statorique (2) surmoulé. Le surmoulage réalisé remplit ces espaces inter-dentaires (24). Ici les extrémités des dents (19) sont affleurants au surmoulage mais il peut être envisagé de recouvrir totalement les dents (19) comme illustré en figure 9.

[0042] Dans cette première réalisation, le surmoulage entourant les tôles ferromagnétiques (14) recouvre la surface extérieure mais laisse apparente la surface intérieure afin de favoriser l’échange thermique entre les tôles statoriques (14) et le conteneur (20). A cet effet, le surmoulage remplit l’espace inter-dentaire formé par les tôles ferromagnétiques (14) pour laisser affleurant les extrémités des dents (19). Par le choix judicieux de la matière de surmoulage, l’échange thermique entre l’ensemble statorique (2) surmoulé et le conteneur (20) sera ainsi favorisé.

[0043] En figure 2, représentant une vue en coupe de la pompe (1), on distingue les constituants de la pompe (1) et notamment le rotor (6) du moteur électrique. Ce rotor (6) est guidé par un axe (7) fixé dans l’élément supérieur (8) de la pompe (1) dans laquelle les canaux d’entrée (16) et de sortie (17) du fluide sont intégrés, comme visibles en figure 1. Ce même rotor (6) entraîne par contact mécanique le premier engrenage (10) de l’élément de pompage (3). Le second engrenage (11) est entraîné par le premier (10) et les deux engrenages (10, 11) tournent dans l’élément central (12) du conteneur (20) dans lequel les cavités de pompage (18) du fluide sont créées, comme visibles en figure 5.

[0044] L’ensemble comprenant les bobines électriques (13), les tôles (14) du circuit magnétique du stator, les pistes de connexion électriques (9) ainsi que la connectique forment un seul corps : l’ensemble statorique (2) surmoulé.

[0045] Le conteneur (20), dont on apprécie une vue isolée en figure 6 et une vue en coupe à la figure 2, et comprenant le rotor (6), formé par un aimant permanent, est un ensemble indépendant de l’ensemble statorique (2) surmoulé. Il est assemblé par simple insertion dans l’ensemble statorique (2) surmoulé. La force d’attraction entre les tôles statoriques (14) et l’aimant du rotor (6) permet de maintenir temporairement le conteneur (20) dans l’ensemble statorique (2) surmoulé. La fixation mécanique du conteneur (20) est alors réalisée lorsque la pompe (1) est fixée à son support (15) permettant d’emprisonner le conteneur (20) entre l’ensemble statorique (2) surmoulé et son support (15). Les différents sous-ensembles formés par l’ensemble statorique (2) surmoulé, le conteneur (20) et le support (15) sont représentés en vue éclatée et rassemblés respectivement en figures 7a et 7b.

[0046] Dans un mode de réalisation alternatif montré en figure 8, il est possible d’envisager une solidarisation du conteneur (20) à l’ensemble statorique (2) surmoulé directement par le surmoulage. Dans ce cas, l’opération de surmoulage est réalisée après insertion du conteneur (20) dans le stator. De cette manière, on réalise un contact mécanique entre le surmoulage et le conteneur (20), optimisant l’échange thermique par conduction.

[0047] Dans un autre mode de réalisation montré en figure 9, il est possible de réaliser un surmoulage complet du stator, ne laissant pas les dents (19) du stator affleurant, c’est-à-dire recouvrant totalement ces dents (19), en formant une peau (22) sur la surface intérieure de ces dernières, protégeant les bobines (13) et les tôles (14) du stator. Cette réalisation alternative permet aussi de favoriser un échange thermique efficace entre l’ensemble statorique (2) surmoulé et le conteneur (20).

[0048] Le fait que le moteur électrique utilisé soit formé d’un rotor isolé hermétiquement du stator n’est pas en soi un problème pour le pilotage lorsque l’on utilise un moteur sans balai. Il est en effet bien connu de piloter ce moteur grâce à des techniques dites « sans capteur » (sensorless), par exemple grâce à la mesure de la tension induite dans les phases non alimentées du moteur lors du fonctionnement.

[0049] Cependant, s’il est utile, pour un meilleur contrôle du moteur, d’installer des sondes de détection de champ magnétique pour permettre le pilotage du moteur, il est tout à fait envisageable de placer, sur le fond de l’ensemble statorique un circuit imprimé (26) présentant au moins une sonde magnétosensible (25) destinée à détecter le champ magnétique du rotor (6) pour permettre le pilotage du moteur électrique. Ceci est illustré en figures 11a et 11b.

Claims

REVENDICATIONS

1. Pompe (1) motorisée pour le pompage d’un fluide comprenant un moteur électrique et constitué d’un conteneur (20) et d’un ensemble statorique (2), ledit ensemble statorique (2) présentant un ensemble de tôles (14) ferromagnétiques formant des dents (19) s’étendant radialement et définissant des espaces inter-dentaires (24) et un volume intérieur (23), lesdites dents (19) portant, chacune ou en partie, des bobines électriques (13), ledit conteneur (20) étant logé dans ledit volume intérieur (23), isolé hermétiquement dudit ensemble statorique (2), et comprenant un rotor (6) formé d’une alternance de pôles aimantés, le conteneur (20) étant formé d’une enveloppe (21) enfermant ledit rotor (6), d’un élément de pompage (3) actionné par ledit rotor (6), et des canaux de circulation (16, 17) dudit fluide permettant la circulation dudit fluide vers et hors de l’élément de pompage (3), caractérisé en ce que l’ensemble statorique (2) présente un surmoulage en une matière plastique ayant un coefficient de conduction thermique supérieure à celui de l’air, en ce que ledit surmoulage englobe l’ensemble de tôles (14) et les bobines électriques (13) et en ce qu’il remplit les espaces inter-dentaires (24).
2. Pompe motorisée selon la revendication 1 caractérisée en ce que l’ensemble statorique (2) est surmoulé avant mise en place du conteneur (20) et en ce que ledit surmoulage laisse affleurant les extrémités des dents (19) de l’ensemble statorique (2).
3. Pompe motorisée selon la revendication 1 caractérisée en ce que l’ensemble statorique (2) est surmoulé avant mise en place du conteneur (20) et en ce que ledit surmoulage recouvre les extrémités des dents (19) de l’ensemble statorique (2).
4. Pompe motorisée selon la revendication 1 caractérisée en ce que l’ensemble statorique (2) est surmoulé avec le conteneur (20) en place de sorte que le surmoulage soit en contact avec ledit conteneur (20).
5. Pompe motorisée selon la revendication 1 caractérisée en ce que le surmoulage définit une cavité d’une section complémentaire à la section extérieure dudit conteneur (20).
6. Pompe motorisée selon les revendications 1 ou 2 caractérisée en ce que la distance radiale entre l’ensemble statorique (2) surmoulé et le conteneur (20) est inférieure à 0,5 mm.
7. Pompe motorisée selon la revendication 1 caractérisée en ce que la conductivité thermique de ladite matière plastique est supérieure à 0,2 W/m/K.
8. Pompe motorisée selon la revendication 1 caractérisée en ce que l’élément de pompage (3) est une pompe à engrenage.
9. Pompe motorisée selon la revendication 1 caractérisée en ce que la pompe (1) est une pompe à urée destinée à un véhicule automobile.
10. Pompe motorisée selon la revendication 1 caractérisée en ce que la pompe (1) est une pompe à urée destinée à un camion.
11. Pompe motorisée selon la revendication 1 caractérisée en ce que l’ensemble statorique (2) surmoulé comprend un ensemble de pistes conductrices de connexion (9) alimentant les bobines électriques (13), lesdites pistes (9) sortant à l’une de leurs extrémités par un connecteur (5) formé par ledit surmoulage.
12. Pompe motorisée selon la revendication 11 caractérisée en ce que les pistes conductrices (9) sont positionnées derrière le rotor (6).
13. Pompe motorisée selon la revendication 11 caractérisée en ce que les pistes conductrices (9) sont positionnées entre le rotor (6) et les entrées/sorties (16, 17) de l’élément de pompage (3).
14. Pompe motorisée selon la revendication 11 caractérisée en ce que l’ensemble statorique (2) surmoulé présente des oreilles de fixation (4) et en ce que lesdites pistes (9) sont positionnées au niveau des oreilles de fixation (4).
15. Pompe motorisée selon la revendication 1 caractérisée en ce que l’enveloppe (21) du conteneur (20) est réalisée en un matériau conducteur électrique et amagnétique.
16. Pompe motorisée selon la revendication 1 caractérisée en ce que le fond de l’ensemble statorique reçoit un circuit imprimé (26) présentant au moins une sonde magnétosensible (25) destinée à détecter le champ magnétique du rotor (6) pour permettre le pilotage du moteur électrique.
17. Procédé de montage d’une pompe motorisée telle que définit par la revendication 1 caractérisé en ce que le conteneur (20) est positionné et maintenu en place sur l’ensemble statorique (2) grâce à la force magnétique exercée entre le rotor (6) et l’ensemble statorique (2) et en ce que l’ensemble formé par le conteneur (20) et l’ensemble statorique (2) surmoulé est placé et fixé dans un logement de l’application sans pièce additionnelle de montage.
18. Procédé de fabrication d’une pompe motorisée selon la revendication 1 caractérisé en ce qu’il comporte une étape d’insertion du conteneur (20) à l’intérieur du volume intérieur (23) défini par les dents (19) de l’ensemble statorique (2) et une étape d’injection d’une résine de surmoulage ayant un coefficient de conduction therrrjique supérieur à celui de l’air.
19. Procédé de réchauffement d’une pompe motorisée selon la revendication 1 caractérisé en ce qu’un courant électrique est installé dans les bobines (13) pendant un temps nécessaire à la liquéfaction du fluide à pomper.
20. Procédé de réchauffement d’une pompe motorisée selon la revendication 19 caractérisé en ce que le courant est constant.
21, Procédé de réchauffement d’une pompe motorisée selon la revendication 19 caractérisé en ce que le courant est variable dans le temps.