CN112523841A - 用于罐的结冰引导装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于罐的结冰引导装置。本发明是一种适于容纳机动车辆的流体操作介质(200)的罐(100)。它具有带有外罐内侧(111)和外罐外侧(112)的外罐(110)，其中外罐(110)封罩罐内部(300)。罐内部(300)能够被细分为操作介质体积(320)和补偿体积(310)。在这种情况下，结冰引导装置(150)被布置在外罐(110)上，其中结冰引导装置(150)为外罐外侧(112)的指向罐内部(300)中的至少一个凹部(151)的形式。

Description

用于罐的结冰引导装置

技术领域

本发明涉及根据权利要求1的前序部分所述的适于容纳机动车辆的流体操作介质的罐，其具有结冰引导装置。

背景技术

防结冰装置基本上涉及用于机动车辆中的流体操作介质的任何罐，例如用于尿素水溶液(商品名

)、DEF或水(例如挡风玻璃或前灯清洗器系统的清洁液)的罐。尽管这种操作介质通常具有防霜剂作为防冻保护，但是如果长时间保持例如-10°至-30°的外部温度，则能够预料到流体操作介质会冻结，也就是结冰。

结冰过程中的体积膨胀必须能够尤其由具有液体操作介质的罐来承受或补偿，所述液体操作介质具有该液体的高冰点。因此，罐通常不会完全充满有操作介质。相反，补偿体积始终保留作为自由空间或补偿空间，用于补偿结冰期间的体积膨胀。

在液体冻结的情况下，首先在罐内部的外边缘上以及在操作介质的朝向补偿体积的表面上形成第一冰层。随着时间的流逝，所述冰层向罐的内部生长。同时，冰层在生长过程中鼓出，可能会形成所谓的“冰火山”。额外的冰体积的这种鼓出会使整个罐变形。罐外壁通常只能适应塑性变形，并因此会被永久损坏。

因此，至少在预期要形成冰火山的区域中，在液体的表面和罐的上壁的底侧之间必须始终保持间隔。该位置通常布置在液体表面的中央。这样的补偿空间不合期望地限制了液体的体积，该体积无论如何都受到由于机动车辆中的可用空间而必须复杂的罐几何形状的限制。例如，SCR罐损失了大约3升可用于液体的体积。

作为补偿空间的替代方案，结冰过程由罐表面的隔热构造控制。这样，与其他区域相比，在罐的特定区域引入的冷量更多。在这方面，例如EP2376751B1公开了在罐的顶侧上的罩状隔热，而罐的底部保持无隔热。因此，尽管没有防止结冰，但是有针对性地影响结冰期间体积膨胀的方式。然而，这种隔热也将占用空间，并且由于材料和零件方面的额外支出而导致成本增加。

此外，必须以这样的方式控制结冰过程，即，防止由冰封罩液体，即所谓的“空腔”。在现有技术中已经知道用于罐的受控结冰和用于保护固定装置的各种可能性。

DE102015204621A1涉及一种用于机动车辆的液体操作介质的罐，该罐具有浸入管，该浸入管被布置在冰补偿体积的区域中。为了防止在操作介质结冰时损坏浸入管，浸入管至少部分可弹性变形。

US10023048B2提出了可控结冰，其中，罐壁的各个壁部分形成有不同的隔热作用，也就是说具有不同的壁厚或壁材料。此外减小了所提供的补偿空间，这是因为仅局部地并且在特别易受影响的区域中维持了液体的表面与上罐壁之间的距离。

US2017/0328255A1公开了一种用于尿素水溶液的罐设备，其具有被安装在罐壳体上的单独的底部部分。在单独的底部部分的顶侧上形成有层状结构。在尿素溶液冻结的情况下，层状结构产生预定的断裂点，这防止了空腔的形成。

WO2010/069636A1提出了一种具有冰压元件的罐，该冰压元件尤其通过其可压缩性将尚未冻结的还原剂引导入罐中的自由空间，以防止空腔。冰压元件为杆状形式，并且基本上沿竖直方向延伸穿过罐。

鉴于所陈述的现有技术，具有流体操作介质的罐的受控结冰仍然具有改进的潜力。

发明内容

本发明基于避免由于流体操作介质的结冰而损坏罐和车辆的目的。此外，目的是使能够被引入由罐提供的罐内部的操作介质的量最大化。

根据本发明，该目的通过一种适于容纳机动车辆的流体操作介质的罐来实现，该罐具有结冰引导装置，该结冰引导装置具有权利要求1的特征。从属权利要求中包含本发明的其他有利的配置。

应当注意，在以下描述中单独指定的特征和措施能够以任何期望的技术上有意义的方式彼此组合，并且公开了本发明的进一步的改进。说明书特别是结合附图附加地表征和说明了本发明。

本发明涉及一种适于容纳机动车辆的流体操作介质的罐。所述罐具有带有外罐内侧和外罐外侧的外罐，其中，所述外罐封罩了罐内部，该罐内部能够被细分为操作介质体积和补偿体积。在这种情况下，结冰引导装置被布置在外罐上，该结冰引导装置为外罐外侧的指向罐内部里面的至少一个凹部的形式。

基于根据本发明提出的方案，有针对性地影响流体操作介质的结冰，并且避免了通过冰的形成而对罐的损坏。在此，在流体操作介质结冰期间，引导在外罐外侧上的冷的周围空气的气流和/或在罐内部中的流体操作介质流，从而改变结冰的过程。外罐外侧的向内或指向罐内部里面的至少一个凹部局部地扩大了操作介质与外罐内侧之间的接触表面。由于在凹部的区域中扩大的接触表面，冷的周围空气能够在那里引发冰层的形成。换句话说，为流体操作介质提供额外的周围冷，以便影响操作介质的结冰或冰形成。替代地或附加地，为此目的，流体操作介质沿着局部扩大的外罐内侧局部地移位。结冰引导装置然后能够使关键区域首先冻结，并且冰层在有足够空间可用且没有损坏罐的风险的那些地方膨胀。

因此，以如下方式影响流体操作介质中的冰形成，即，在冰层的体积膨胀期间，如果发生冻结，则首先不会出现通过冰火山或空腔产生不希望的压力积累或不希望的压力排放。对于不变的罐内部，所需的补偿体积可以较小，而操作介质体积可以较大。优选地，补偿体积可以减小到补偿冰层的体积膨胀所需的最小尺寸。“操作介质体积”优选应理解为是指可引入的最大量的流体或液体操作介质的体积。因此，根据本发明的优选实施例在罐外壁中具有凹部，该凹部不依赖于罐的稳定性或刚度或用于安装罐的可用空间。

在本发明的一个优选实施例中，结冰引导装置为外罐内侧的至少一个突出部的形式。在外罐内侧上的这种突出部可以直接由在外罐外侧上的至少一个凹部产生。这种突出部导致流体操作介质局部移位。因此，在移位的操作介质的位置处不能形成冰层。相反，在能够容忍冰层体积膨胀的那些地方，冰层会在罐内部生长。

优选地，结冰引导装置全部或部分地布置在操作介质体积的区域中。也就是说，结冰引导装置至少部分地浸入操作介质中，以在最大利用所提供的操作介质体积的情况下，至少最大程度地允许的向罐中填充流体操作介质。如果在操作期间由于消耗而使流体操作介质的体积减小，并且流体操作介质的表面也降低，则结冰引导装置可能会失去与流体操作介质的接触。随着填充量的减少，结冰引导装置最终可能变得多余，因为冰层的体积膨胀不可避免地较小，并且存在用于剩余流体操作介质的冰层膨胀的更多补偿空间。换句话说，至少为了最大填充，结冰引导装置始终与流体操作介质直接接触。

在本发明的可选的改进方案中，外罐具有相对于车辆竖直轴线的上壁，其中结冰引导装置被布置在上壁上。

由于重力的方向，补偿体积通常布置在操作介质体积的表面上方。车辆竖直轴线的方向平行于重力的方向定向。补偿空间通常充满空气、气态或蒸发的操作介质，并使流体操作介质朝向顶部隔热。结冰引导装置将隔热桥接在补偿空间中，并被浸入操作介质中。因此，尽管有补偿空间，流体操作介质在结冰引导装置的区域中仍与罐外壁直接接触，并因此与周围的冷直接接触。因此，周围的冷也可以集中地被传输到操作介质的表面。换句话说，来自周围空气的冷可以被提供在罐内部中、在操作介质中的一位置处，在该位置处，如果没有结冰引导装置，则不会与罐的外壁接触。

外罐外侧的凹部可以可选地填充有或能够填充有隔热材料。因此，尽管可以在局部扩大的表面的区域中减小冷流量，但是维持了流体操作介质的局部移位。可以通过将结冰引导装置的凹部完全或部分地填充外罐的材料来实现隔热。在机动车辆的罐的操作期间可能进入凹部的杂质(例如沙子、水、雪)在结冰引导装置中具有类似的隔热作用。因此，除冰引导装置尽管可能存在杂质，但是在操作期间，例如在机动车辆的操作期间仍保持功能。

在本发明的一种可选的改进方案中，结冰引导装置为在外罐外侧上的穴的形式，该穴具有柱形的、尤其是圆柱形的轮廓。

在此，柱形轮廓的第一端表面形成凹部的开口，并且第二端表面形成底表面。为了用流体操作介质最大地填充操作介质体积，特别是底表面始终与流体操作介质接触。柱形穴的相对于车辆竖直轴线的侧表面的下部也始终与流体操作介质接触，以最大程度地用流体操作介质填充操作介质体积。这样的轮廓能够以特别便宜的方式形成并集成到外罐的壁中。可以通过在罐的生产期间将穴与外罐的壁一体地形成来实现集成。可替代地，穴可以在稍后的阶段作为单独的插入件被插入外罐的壁中并且密封地连接到所述壁。然而，结冰引导装置也可以具有复杂的，例如手指状的几何形状。

附图说明

图1示出了现有技术的示例性罐的剖视图，

图2示出了利用现有技术的罐的示例性结冰过程，

图3a至图3d示出了利用现有技术的罐的示例性测试结果。

在下面的附图说明中公开了本发明的更多有利的配置，其中：

图4a至图4b示出了根据本发明的罐的示例性实施例的截面图，

图5示出了根据本发明的示例性罐的外罐外侧的透视图的放大细节，

图6a至图6b示出了根据本发明的示例性罐的外罐内侧的透视图的放大细节，

图7示出了利用根据本发明的罐的示例性实施例的罐的示例性结冰过程，

图8a至图8b示出了利用根据本发明的罐的示例性实施例的罐的示例性结冰过程，该罐具有隔热的结冰引导装置，并且

图9a至图9d示出了利用根据本发明的罐的示例性实施例的示例性测试结果。

具体实施方式

在不同的附图中，相同的部件总是提供有相同的附图标记，因此，这些部件通常也仅描述一次。为了清楚起见，在下文中为简单起见通常将液体操作介质或工作液体作为基础，即使所有流体操作介质(即，具有液态、气态或固态或固体成分)被该措词涵盖。

在图1中示出了在操作期间相对于重力S的取向上的用于机动车辆的液体操作介质200的罐100，例如SCR罐。罐100包括外罐110，其以切开的形式示出，外罐110可以是一件式或多件式设计，并且具有外罐内侧111和外罐外侧112。外罐110的几何形状基本上取决于安装期间的可用空间和操作介质200的所需体积。外罐110封罩罐内部300。罐内部300部分填充有流体操作介质200，使得在下部区域中形成了操作介质体积320，而在上部区域中保留了补偿体积310。在补偿体积310下方且在操作介质体积320上方形成操作介质200的表面210。操作介质体积320和补偿体积310相加基本上得到罐内部300。在操作介质200冻结的情况下，首先在操作介质200的外边缘和指向补偿体积310的表面210上形成第一冰层201(参见图2)。随着时间的流逝，所述冰层201朝着罐100的中心生长。同时，冰层201在生长过程中鼓出，从而形成冰火山220。额外的冰体积的这种鼓出会使整个外罐110变形。因此，补偿体积310的尺寸必须足够大，以使得在表面210和外罐110的上壁120之间保持例如35mm的距离A1，使得即使在形成冰火山220之后，在冰层201与上壁120之间仍保持例如10mm的距离A2。结果是，因此有必要例如在不使用补偿体积310的情况下牺牲例如罐内部300的18％。

图2示出了在三个选定的时刻t1-t3在现有技术的具有最大填充的操作介质体积320的罐100中的操作介质200的示例性冻结过程。在第一时刻t1，操作介质200仍然是液体。如果在时刻t2罐100中的操作介质200冻结，则首先在外罐110的外罐内侧111上形成冰层201。同时，操作介质表面220冻结。在时刻t3，液体操作介质体积200被封罩在内部中在液泡202中，并形成空腔。如果封罩的液泡202最终也冻结，则由于被冰层201封罩，将不存在用于体积膨胀的空间。冰层202的破裂最终可能发生，这通常在外罐110的上壁220的方向上传播。这可能会损坏罐100。

在图3a至图3d中示出了对外罐110的这种损坏或破坏。首先，根据图3a，由于形成了冰火山220(参见图1)，上壁120会发生变形121，随着冰层201的不断生长，冰火山220会从下面推抵上壁120。然后，例如根据图3b，具有罐内部300或16升操作介质体积320的罐100将经受上壁120的隆起形式的变形121，其总计1.13毫米。变形121通常在相对于罐宽度123和罐深度122的中心处最明显。作为变形121的结果，根据图3c至图3d，上壁120可裂开并暴露出冰层201。在没有结冰引导装置150的情况下，如果完全结冰，这样的罐100将失效。

图4a和图4b示出了用于机动车辆的液体操作介质200的相同罐100的两个视图，其中外罐110以切开的形式示出。与根据图1的罐100相比，提供了结冰引导装置150。结冰引导装置150呈外罐外侧112的指向罐内部300的凹部151的形式，并且同时呈外罐内侧111的突出部152的形式。结冰引导装置150以从上壁120向下指向的方式部分地布置在补偿体积310的区域中且部分地布置在操作介质体积320的区域中。结冰引导装置150被液体操作介质200覆盖的比例取决于操作介质体积320的实际填充水平。由于结冰引导装置150浸入操作介质200中，所以凹部151使得可以与位于罐内部300的中心的周围事物400直接交换温度。因此，尽管有补偿空间310，但操作介质200在结冰引导装置150的区域中与外罐内侧111直接接触，并因此与周围的冷直接接触。通过这种方式，周围的冷可以被传输到操作介质200的表面210。由于结冰引导装置150，可以减小补偿体积310的大小，并从而增大补偿体积310的大小，例如增大至罐内部300的85％。即使考虑到结冰引导装置150占据罐内部300中的空间这一事实也是正确的。

图5示出了外罐110的上壁120的外罐外侧112的放大细节，其具有结冰引导装置150的凹部151。结冰引导装置150例如为位于外罐外侧112中的穴的形式，其具有圆柱形轮廓，其中柱形轮廓的第一端表面151a构成凹部151相对于周围事物400的开口。结冰引导装置150的集成可以通过与罐100的上壁120一体形成而实现。可替代地，凹部151作为单独的插入件可以在稍后的阶段插入到外罐110的上壁120中并密封地连接到所述上壁。

图6a和图6b示出了外罐110的上壁120的外罐内侧111的放大细节，其具有结冰引导装置150的突出部152。在外罐内侧111上的结冰引导装置150的突出部152可以对应于外罐外侧112中的穴，其中，柱形轮廓的第二端表面152a形成结冰引导装置150的底壁。为了最大程度地用操作介质200填充操作介质体积320，尤其是底壁200始终位于操作介质200的表面210下方。柱形结冰引导装置150的侧表面152b的下部也始终处于浸没状态，以便最大程度地用操作介质200填充操作介质体积320。这种结冰引导装置150能够以特别便宜的方式形成。

图7示出了在三个选定的时刻t1-t3利用结冰引导装置150对在具有最大填充的操作介质体积320的倾斜罐100中的操作介质200进行的示例性冻结过程。由于罐的倾斜，上壁120也倾斜。在第一时刻t1，操作介质200仍然是液体，但是周围事物400的冷空气通过结冰引导装置150的凹部151进入到操作介质200的表面210下方的区域中。如果在时刻t2罐100中的操作介质200冻结，则在操作介质体积320的区域中在外罐110的外罐内侧111上形成冰层201。由于结冰引导装置150，所以外罐内侧111的表面并因此外罐内侧112的表面“局部”扩大，从而也在那里开始冰的形成。因此，结冰受到影响，从而能够防止液体操作介质体积200封罩在液泡202内部。即使对于以倾斜方式安装的罐100也是如此。因此，直到在时刻t3完成结冰时为止，冰层201的体积膨胀都有空间可用。因此即使操作介质200完全结冰，也可以避免对罐100的损坏。

图8a和图8b以正视图和侧视图示出了在三个选定的时刻t1-t3对具有最大填充的操作介质体积320和结冰引导装置150的罐100中的操作介质200进行的示例性冻结过程。在第一时刻t1，操作介质200仍然是液体，但是凹部151中填充有具有隔热作用的材料，即隔热材料153。在结冰引导装置150中的这种隔热作用可以导致在罐100的操作期间可能在机动车辆中产生的杂质，例如水、雪或沙子154(参见图9a)。由于结冰引导装置150的隔热材料153，来自周围事物400的冷空气几乎没有或很少进入到操作介质200的表面210下方的区域中。然而，由于操作介质200的移位导致突出部152浸入操作介质200中，在时刻t2防止了罐100中的操作介质200在结冰引导装置150的区域中被冻结。因此，尽管在外罐110的外罐内侧111上形成有冰层201，但是尚未冻结的操作介质200始终具有通向表面210的未被冰覆盖的开放通道，并因此具有空间用于膨胀。特别是，冰火山220(参见图1)通常会出现其最大挠度的区域在很长一段时间内完全没有冰。因此，结冰受到影响，从而能够防止液体操作介质体积200封罩在液泡202内部。因此，直到在时刻t3完全结冰之前不久，仍有空间用于冰的形成的体积膨胀。尽管有结冰，但罐100保持完整。

在图9a至图9d中示出了未损坏的外罐110的这种成功结果。根据图9a，结冰引导装置150的凹部151填充有沙子154，沙子154在冷的影响下具有隔热作用。即使完全冻结了操作介质200，也无法用肉眼看到上壁120的变形121。测量结果表明，具有罐内部300或16升操作介质体积320的罐100具有例如呈上壁120的隆起形式的变形121，其仅为0.14毫米。优选地，根据图9b，结冰引导装置150相对于罐宽度123(示例性地示出)和罐深度122(示例性地示出)要被布置在外罐110的上壁120上的中心处。由于变形121的成功限制，根据图9c至图9d，上壁120保持完整，并且经受了结冰过程。

参考名称列表

100 罐

110 外罐

111 外罐内侧

112 外罐外侧

120 上壁

121 变形

122 罐深度

123 罐宽度

150 结冰引导装置

151 凹部

151a 第一端表面，尤其是凹部的开口

152 突出部

152a 第二端表面，特别是底壁

152b 侧表面

153 隔热

154 沙子

200 操作介质

201 冰层

202 液泡

210 表面

220 冰火山

300 罐内部

310 补偿体积

320 操作介质体积

400 周围事物

A1-A2 距离

S 重力

t1-t3 时刻

Claims (6)

1.一种适于容纳机动车辆的流体操作介质(200)的罐(100)，其具有带有外罐内侧(111)和外罐外侧(112)的外罐(110)，其中，所述外罐(110)封罩罐内部(300)，该罐内部(300)能够被细分为操作介质体积(320)和补偿体积(310)，其中在所述外罐(110)上布置有结冰引导装置(150)，

特征在于

所述结冰引导装置(150)为所述外罐外侧(112)的指向所述罐内部(300)里面的至少一个凹部(151)的形式。

2.根据权利要求1所述的罐(100)，

特征在于

所述结冰引导装置(150)为所述外罐内侧(111)的至少一个突出部(152)的形式。

3.根据权利要求1或2所述的罐(100)，

特征在于

所述结冰引导装置(150)被全部或部分地布置在所述操作介质体积(320)的区域中。

4.根据前述权利要求中的一项所述的罐(100)，

特征在于

所述外罐(110)具有相对于车辆竖直轴线的上壁(120)，并且所述结冰引导装置(150)被布置在所述上壁(120)上。

5.根据前述权利要求中的一项所述的罐(100)，

特征在于

所述外罐外侧(112)的所述至少一个凹部(151)填充有或能够填充有隔热材料(153)。

6.根据前述权利要求中的一项所述的罐(100)，

特征在于

所述结冰引导装置(150)为在所述外罐外侧(112)中的穴的形式，该穴具有柱形的、尤其是圆柱形的轮廓。

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