DE102012022232A1

DE102012022232A1 - System enthaltend zumindest eine beheizbare Medienleitung mit zumindest einem Leitungsverbinder, beheizbare Medienleitung zur Verwendung in dem System sowie Verfahren zum Betrieb einer beheizbaren Medienleitung

Info

Publication number: DE102012022232A1
Application number: DE201210022232
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Schwarzkopf Otfried; Dipl.-Ing. Tobias (FH) Etscheid; Dipl.-Ing. Erik (FH) Gramckow; Reiner Mitterer; Dipl.-Ing. Christian (FH) Zwillus
Original assignee: Voss Automotive GmbH
Current assignee: Voss Automotive GmbH
Priority date: 2012-11-14
Filing date: 2012-11-14
Publication date: 2014-05-15
Also published as: FR2998030A1; FR2998030B1

Abstract

Bei einem System mit zumindest einer beheizbaren Medienleitung (1) mit zumindest einem Leitungsverbinder (2) und mit zumindest einem Heizelement (10, 11, 12) zum Beheizen der Medienleitung (1) und des Leitungsverbinders (2) sind zumindest eine Steuerungs- und Regelungseinrichtung (5) zum Steuern und Regeln der Spannungszufuhr zu dem Heizelement (10, 11, 12) und zumindest eine thermische Schutzeinrichtung (8, 80) zum temperaturabhängigen und/oder spannungsabhängigen Deaktivieren der Beheizung der Medienleitung (1) und/oder des Leitungsverbinders (2) im Bereich des zumindest einen Leitungsverbinders (2) vorgesehen. Bei einem Verfahren zum Betrieb einer beheizbaren Medienleitung (1) mit zumindest einem Heizelement (10, 11, 12) zum Schutz der beheizbaren Medienleitung (1) vor Beschädigung erfolgt das Bestromen des zumindest einen Heizelements (10, 11, 12) temperatur- und/oder spannungsabhängig zumindest dreistufig, wobei in einer ersten Stufe (S1) dauerhaft, in einer zweiten Stufe (S2) zumindest zeitweise getaktet und in einer dritten Stufe (S3) nicht bestromt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein System enthaltend zumindest eine beheizbare Medienleitung mit zumindest einem Leitungsverbinder und mit zumindest einem Heizelement zum Beheizen der Medienleitung und des Leitungsverbinders, eine beheizbare Medienleitung zur Verwendung in dem System sowie ein Verfahren zum Betrieb einer beheizbaren Medienleitung mit zumindest einem Heizelement zum Schutz der beheizbaren Medienleitung vor Beschädigung.
Beheizbare Medienleitungen sowie Verfahren zum Steuern zu deren Beheizung sind im Stand der Technik bekannt. Insbesondere in Fahrzeugen ist eine Reihe von Medienleitungen vorgesehen zum Leiten von zumeist flüssigen Medien. Diese Medienleitungen drohen bei niedrigen Temperaturen einzufrieren. Aus diesem Grunde wird eine Beheizung der Medienleitungen vorgesehen. Leitungsverbinder dienen zum Verbinden von zumindest zwei Medienleitungen oder zur Anschlussverbindung einer Medienleitung an ein beliebiges Aggregat. Durch Medienleitungen werden oftmals solche Medien geführt, die aufgrund eines relativ hohen Gefrierpunktes bereits bei noch vergleichsweise hohen Umgebungstemperaturen zum Einfrieren neigen, wodurch die Funktionsfähigkeit, beispielsweise eines Fahrzeugs, beeinträchtigt oder sogar erheblich gestört werden kann. Dies ist insbesondere bei Medienleitungen, die von einer wässrigen Harnstofflösung als Medium durchströmt werden, der Fall, die als NO_x-Reaktionsadditiv für Motoren mit sogenannten SCR-Katalysatoren eingesetzt wird.
Beispielsweise offenbart die DE 10 2010 032 189 A1 eine beheizbare Medienleitung mit zumindest einem Leitungsverbinder und zumindest einem Heizelement, das wenige Litzen aufweist, wobei sich ein und dieselben Litzen durchgängig sowohl entlang der Medienleitung als auch entlang dem zumindest einen Leitungsverbinder erstrecken. Die Litzen erstrecken sich dabei verbindungsstellenfrei im Übergangsbereich zwischen Medienleitung und Leitungsverbinder und durchgängig entlang dem Leitungsverbinder und der Medienleitung auf deren Außenseite.
Je nach Medium, das durch die beheizbare Medienleitung strömt, kann die Auftauzeit verhältnismäßig lang sein, beträgt beispielsweise mehr als 15 min. Üblicherweise kann ein Fahrzeug jedoch starten, auch wenn das in der beheizbaren Medienleitung vorhandene Medium nicht vollständig aufgetaut ist. Eine Steuerung zum Steuern der Spannungszufuhr zu dem zumindest einen Heizelement der beheizbaren Medienleitung sieht üblicherweise einen Dauerbetrieb, also ein dauerhaftes Bestromen bzw. eine dauerhafte Spannungszufuhr zu dem Heizelement zum Beheizen der Medienleitung und ein Abschalten zum Beenden des Beheizens der Medienleitung vor. Die Spannungszufuhr wird üblicherweise nach einer vorgebbaren Zeitspanne abgeschaltet, die sich nach der üblichen Auftauzeit des durch die Medienleitung strömenden Mediums richtet. Eine Überhitzung der beheizbaren Medienleitung tritt auch bei sehr hohen Umgebungstemperaturen von beispielsweise mehr als 30 bzw. 40°C nicht auf, da bei derart hohen Temperaturen ohnehin kein Beheizen der beheizbaren Medienleitung erfolgt, eine Spannungszufuhr zu dem zumindest einen Heizelement unterbunden wird.
Im Stand der Technik ist es jedoch auch bekannt, die Stromversorgung der Heizeinrichtung bei Überschreiten einer vorgebbaren Temperatur zu deaktivieren, wobei eine Temperatursicherung vorgesehen ist, wie beispielsweise in der DE 102 07 794 B4 offenbart. Hierbei weist die beheizbare Leitung eine einen Strömungspfad bildende Innenseele, eine die Innenseele umgebende Heizeinrichtung und eine die Innenseele mit der Heizeinrichtung umgebende thermische Isolation auf, wobei in unmittelbarer Nähe der Innenseele ein Wärmesensor und/oder eine Temperatursicherung vorgesehen ist, der bzw. die die Stromversorgung der Heizeinrichtung bei Überschreiten einer vorgegebenen Temperatur deaktiviert. In Längsrichtung der Innenseele erstreckt sich auf oder unter der Heizeinrichtung ein Rohr, in das der Wärmesensor bzw. die Temperatursicherung eingeschoben werden kann.
Bei der Anwendung bei SCR-Katalysatoren kann die Heizleistung der Heizelemente entlang der beheizbaren Medienleitung bei einem Leitungsaußendurchmesser von 3,6 bis 10 mm beispielsweise 14 W/m, an einem Leitungsverbinder einer solchen Leitung insbesondere 1,5 W betragen. Beheizbare Medienleitungen können jedoch auch für andere Anwendungszwecke verwendet werden, bei denen ein sehr schnelles Auftauen gefordert wird, startend von niedrigen Temperaturen aus, um den Betrieb eines Systems, in dem die beheizbare Medienleitung angeordnet ist, aufrecht zu erhalten. Hierdurch wird in kurzer Zeit eine hohe Leistung in die Medienleitung und/oder deren Leitungsverbinder eingekoppelt und somit sehr hohe Anforderungen an die beheizbare Medienleitung gestellt, die ggf. zu einem Durchbrennen der elektrisch beheizbaren Leitung führen kann. Je mehr Leistung entlang der beheizbaren Medienleitung und insbesondere entlang des zumindest einen Leitungsverbinders eingekoppelt werden muss, desto höher ist das Risiko eines Durchbrennens der elektrisch beheizbaren Leitung.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein System enthaltend zumindest eine beheizbare Medienleitung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, eine beheizbare Medienleitung zur Verwendung in dem System sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Medienleitung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 7 dahingehend fortzubilden, dass ein Durchbrennen der beheizbaren Medienleitung auch bei hoher eingekoppelter Leistung entlang der Medienleitung und des Leitungsverbinders wirkungsvoll vermieden wird.
Die Aufgabe wird für ein System enthaltend zumindest eine beheizbare Medienleitung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass zumindest eine Steuerungs- und Regelungseinrichtung zum Steuern und Regeln der Spannungszufuhr zu dem Heizelement und zumindest eine thermische Schutzeinrichtung zum temperaturabhängigen und/oder spannungsabhängigen Deaktivieren der Beheizung der Medienleitung und/oder des Leitungsverbinders im Bereich des zumindest einen Leitungsverbinders vorgesehen sind. Für eine beheizbare Medienleitung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 2 wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass zumindest eine thermische Schutzeinrichtung zum temperaturabhängigen und/oder spannungsabhängigen Deaktivieren der Beheizung der Medienleitung und/oder des Leitungsverbinders im Bereich des zumindest einen Leitungsverbinders vorgesehen und im direkten Kontakt mit dem Heizelement angeordnet ist. Für ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 6 wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass das Bestromen des zumindest einen Heizelements temperatur- und/oder spannungsabhängig zumindest dreistufig erfolgt, wobei in einer ersten Stufe dauerhaft, in einer zweiten Stufe zumindest zeitweise getaktet und in einer dritten Stufe nicht bestromt wird. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Dadurch werden ein System enthaltend zumindest eine beheizbare Medienleitung mit zumindest einem Leitungsverbinder und mit zumindest einem Heizelement zum Beheizen der Medienleitung und des Leitungsverbinders, eine beheizbare Medienleitung zur Verwendung in dem System sowie ein Verfahren zum Betrieb einer beheizbaren Medienleitung geschaffen, bei denen durch das Vorsehen einerseits einer Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung zum Steuern bzw. Regeln der Beheizung der beheizbaren Medienleitung und andererseits einer thermischen Schutzeinrichtung, mittels derer die Beheizung der Medienleitung und/oder des Leitungsverbinders unterbrochen werden kann, eine Redundanz der thermischen Sicherungseinrichtungen zum Schutz der beheizbaren Medienleitung vor einem Durchbrennen vorgesehen wird. Durch das temperatur- und/oder spannungsabhängige Bestromen des zumindest einen Heizelements der beheizbaren Medienleitung kann die Höhe der in die Medienleitung bzw. deren zumindest einen Leitungsverbinder eingekoppelten Leistung in Abhängigkeit von der anliegenden Versorgungsspannung und der Umgebungstemperatur begrenzt werden. Unter der Temperaturabhängigkeit wird hier verstanden, dass die thermische Schutzeinrichtung in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur auslöst und ebenso die Steuerungs- und Regelungseinrichtung in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur eine daran angepasste Regelung der Spannungszufuhr des zumindest einen Heizelements vornimmt. Entsprechendes gilt für die an den elektrischen Zuleitern der Heizelemente anliegende Spannung. Liegt hier eine zu hohe Spannung an, kann die thermische Schutzeinrichtung auslösen. Die Steuerungs- und Regelungseinrichtung überwacht vorteilhaft die Betriebsspannung der Spannungsquelle, um bei einer auftretenden Änderung die Steuerung bzw. Regelung entsprechend anpassen zu können. Beim Betrieb der Beheizung der Heizelemente handelt es sich teilweise um eine Steuerung und teilweise um eine Regelung. Aus diesem Grunde wird vorliegend von einer Steuerungs- und Regelungseinrichtung bzw. einer kombinierten Steuerung und Regelung der Bestromung der Heizelemente gesprochen.
Im Unterschied zu der lediglich als Primärstrategie zu bezeichnenden Anordnung eines Wärmesensors und/oder einer Temperatursicherung gemäß der DE 102 07 794 B4 wird gemäß der vorliegenden Erfindung eine redundante Absicherung der beheizbaren Medienleitung und von deren zumindest einem Leitungsverbinder durch das Vorsehen der zumindest einen Steuerungs- und Regelungseinrichtung zum Steuern und Regeln der Spannungszufuhr zu dem zumindest einen Heizelement und der zumindest einen thermischen Schutzeinrichtung zum Absichern eines Fehlerfalles geschaffen. Hierdurch kann ein optimaler Schutz der beheizbaren Medienleitung vorgesehen werden, einerseits während des normalen Betriebs der beheizbaren Medienleitung und andererseits bei Auftreten eines Fehlerfalles, in dem die beheizbare Medienleitung durchbrennen könnte. Eine hohe Leistungseinkopplung in die Beheizung der Medienleitung ist dann erforderlich, wenn eine schnelle Betriebsbereitschaft beispielsweise bei vorteilhaftem Verwenden der beheizbaren Medienleitung in Kombination mit einem Wasserstoffantrieb bzw. Brennstoffzellen gefordert wird. Hierbei ist die angeforderte Heizleistung der Heizelemente deutlich höher als bei der vorstehend diskutierten Anwendung im SCR-Bereich, insbesondere wird eine dreimal so hohe Leistung bei der Verwendung mit Brennstoffzellen erforderlich, um das für deren Betrieb erforderliche schnelle Auftauen des durch die beheizbare Medienleitung strömenden Mediums zu ermöglichen. Hierbei ist also eine hohe Leistungseinkopplung zum Erzielen einer schnellen Betriebsbereitschaft erforderlich. Im Automotivebereich ist die Verwendung von Kunststoffkomponenten üblich, also von Leitungsverbinder und Medienleitung aus zumindest einem Kunststoffmaterial. Bei der hohen Leistungseinkopplung kann es zu dem bereits erwähnten Auftreten von Hot Spots kommen, also zu besonders heißen Stellen, die sich insbesondere im Bereich des Leitungsverbinders ergeben, da dort aufgrund der größeren Wandstärke zumeist engere und somit mehr Windungen des Heizelements je Längeneinheit, also eine Litzenanhäufung, vorgesehen werden als die entlang der Medienleitung ansonsten der Fall ist. Hierdurch kann es jedoch bei hoher Leistungseinkopplung zu einer übermäßigen lokalen Erwärmung des Leitungsverbinders kommen. Gerade bei der Anwendung im Bereich von Wasserstoffantrieben und Brennstoffzellen oder dem Leiten anderer leicht entzündlicher Medien kann Explosionsgefahr drohen. Aus diesem Grunde erweist sich die erfindungsgemäße Regelstrategie zunächst eines temperaturabhängigen dauerhaften Bestromens, dann eines zumindest zeitweisen getakteten Bestromens und nachfolgend eines Nicht-Bestromens als sehr vorteilhaft, da hierdurch eine rechtzeitige Abschaltung der Beheizung der Medienleitung bei höheren Temperaturen im Bereich der Medienleitung und/oder im Bereich des Einbauorts der Medienleitung erfolgen kann. Lediglich bei niedrigen Temperaturen erfolgt ein dauerhaftes Beheizen der Medienleitung durch Bestromen des zumindest einen Heizelementes. In einem vorgebbaren Temperaturbereich wird die zweite Stufe der Regelung, also der zumindest zeitweise getaktete Betrieb, durchgeführt.
Wie bereits vorstehend erwähnt, kann die Art des Bestromens auch von der Höhe der anliegenden Betriebsspannung der Spannungsquelle abhängig gemacht werden. Zu diesem Zweck wird vorteilhaft die Betriebsspannung der Spannungsquelle ermittelt und bei der Regelung und Steuerung der Beheizung der beheizbaren Medienleitung als Eingangsgröße berücksichtigt. Dementsprechend kann in der ersten Stufe in einem üblichen vordefinierbaren Spannungsbereich der Betriebsspannung der Spannungsquelle in einem unteren Temperaturniveau der Umgebungstemperatur der beheizbaren Medienleitung bzw. am Einbauort der beheizbaren Medienleitung ein dauerhaftes Bestromen, in der zweiten Stufe ein getaktetes Bestromen und in der dritten Stufe ein Nicht-Bestromen vorgesehen werden. Demgegenüber kann bei Überschreiten der vordefinierten üblichen Betriebsspannung das Bestromen in der zweiten Stufe dahingehend modifiziert werden, dass nur ein getakteter Betrieb vorgesehen wird.
In der zweiten Stufe kann zeitabhängig dauerhaft und/oder getaktet bestromt, insbesondere zunächst ein dauerhafter und nachfolgend ein getakteter Betrieb, also ein zunächst dauerhaftes und nachfolgend getaktetes Bestromen des zumindest einen Heizelementes erfolgen.
Ebenfalls kann vorgesehen werden, in der zweiten Stufe des Verfahrens zum Betrieb der beheizbaren Medienleitung ein getaktetes Bestromen mit einem vorgebaren oder vorgegebenen Modulationsgrad vorzusehen. Als Modulationsgrad wird im Rahmen der vorliegenden Anmeldung das Verhältnis zwischen Einschaltzeit und Zykluszeit bis zum nächsten Einschalten verstanden, nach der Formel m = t_EIN/t_ZYKLUS, wobei m der Modulationsgrad, t_EIN die Einschaltdauer und t_ZYKLUS die Zykluszeit bis zum nächsten Einschalten t_ZYKLUS = t_EIN + t_AUS angibt, also die Summe aus Einschaltdauer t_EIN und Ausschaltdauer t_AUS. Insbesondere kann ein getaktetes Bestromen mit wechselndem Modulationsgrad erfolgen. Hierdurch kann eine optimale Anpassung an den jeweiligen Anwendungsfall vorgesehen werden und an die auftretenden Umgebungstemperaturen der beheizbaren Medienleitung und/oder am Einbauort der beheizbaren Medienleitung, um ein Überhitzen der beheizbaren Medienleitung, insbesondere ein lokales Überhitzen im Bereich der Leitungsverbinder von dieser, zu vermeiden. Gerade im Bereich der Leitungsverbinder kann es nicht nur durch die bereits vorstehend genannte lokale Litzenanhäufung, sondern auch durch eine ungünstige Wärmeabfuhr, bedingt durch die im Vergleich zu der Medienleitung große Wandstärke der Leitungsverbinder oder aufgrund von in deren direkter Nachbarschaft angeordneten weiteren Komponenten, wie Aggregaten, die zusätzlich Wärme abstrahlen, ansonsten zu einem Wärmestau kommen.
Vorgesehen werden kann insbesondere, dass unterhalb einer ersten erfassten Betriebsspannung nicht bestromt wird, oberhalb der ersten Betriebsspannung eine Bestromung temperatur- und/oder zeitabhängig erfolgt, und oberhalb einer maximalen Betriebsspannung nicht bestromt wird. Ferner kann vorgesehen werden, dass unterhalb einer ersten erfassten Temperatur in der ersten Stufe dauerhaft bestromt wird, ab einer maximalen Temperatur in der dritten Stufe nicht bestromt wird, und ab der ersten Temperatur und unterhalb der maximalen Temperatur und ab der ersten Betriebsspannung, jedoch unterhalb einer oberen Betriebsspannung in der zweiten Stufe für eine bestimmte Zeit dauerhaft bestromt und danach mit einem ersten Modulationsgrad getaktet bestromt wird, wobei ab der oberen Betriebsspannung bis zur maximalen Betriebsspannung in der zweiten Stufe mit einem zweiten Modulationsgrad getaktet bestromt wird, wobei der erste Modulationsgrad und der zweite Modulationsgrad gleich oder ggf. unterschiedlich sein können, insbesondere etwa gleich sind. Die obere Betriebsspannung liegt unterhalb der maximalen Betriebsspannung. In der zweiten Stufe kann ab einer vorbestimmten mittleren Temperatur mit zumindest einem dritten Modulationsgrad getaktet bestromt werden, wobei der dritte Modulationsgrad vorteilhaft kleiner ist als sowohl der erste als auch der zweite Modulationsgrad.
Eine besonders starke lokale Erwärmung bei hoher Leistungseinkopplung (Hot Spot) kann im Bereich von Verbindungs- bzw. Crimpstellen zwischen Heizelement und elektrischen Zuleitern auftreten. Sollte in einem Fehlerfalle die Umgebungstemperatur der beheizbaren Medienleitung bzw. des mit dieser verbundenen Leitungsverbinders einen vorgebbaren Grenzwert überschreiten und/oder sollte die anliegende Versorgungsspannung bzw. die an dem Heizelement anliegende Spannung einen vorgebbaren Grenzwert überschreiten, kann die thermische Schutzeinrichtung das Beheizen der beheizbaren Medienleitung und/oder des zumindest einen Leitungsverbinders unterbrechen, also deaktivieren. Die thermische Schutzeinrichtung kann in einer oder im Bereich einer Hot Spot-Stelle angeordnet werden, insbesondere in eine Verbindungsstelle zwischen dem zumindest einen Heizelement und dessen elektrischen Zuleiter integriert oder in Reihe mit diesen angeordnet werden. Die thermische Schutzeinrichtung kann ferner in Reihe mit dem zumindest einen Heizelement und/oder einem elektrischen Zuleiter zu diesem angeordnet werden. Als besonders vorteilhaft erweist es sich, die thermische Schutzeinrichtung in Form einer Schmelzsicherung vorzusehen, die problemlos in Reihe mit dem Heizelement und/oder einem elektrischen Zuleiter zu diesem angeordnet werden kann. Je nach Wahl der thermischen Schutzeinrichtung kann diese bei unterschiedlichen vorbestimmten Temperaturen auslösen. Dementsprechend kann in Abhängigkeit von den zu erwartenden Temperaturen eine geeignete thermische Schutzeinrichtung gewählt und zum Auslösen im Fehlerfall im Bereich des Heizelements und/oder von dessen elektrischen Zuleiter bzw. der Verbindungsstelle zwischen beiden angeordnet werden.
Die thermische Schutzeinrichtung ist vorteilhaft im direkten Kontakt mit dem Heizelement angeordnet. Außer einem Anordnen in Reihe mit diesem bzw. dessen elektrischen Zuleiter kann auch ein zumindest teilweises Umgreifen des Heizelements bzw. von dessen elektrischen Zuleiter vorgesehen werden, insbesondere in Form einer u-förmigen thermischen Schutzeinrichtung bzw. Schutzelements. Eine solche umgreift zumindest teilweise das Heizelement bzw. dessen elektrischen Zuleiter und kann insbesondere an oder neben einem Hot Spot angeordnet werden, vorzugsweise im Bereich des Leitungsverbinders, angehäufter Heizelementschleifen oder -wicklungen bzw. dort, wo das Heizelement zum Verbinden mit dem elektrischen Zuleiter weggeführt wird. Beispielsweise kann die thermische Schutzeinrichtung auch dort angeordnet werden, wo das Heizelement freiliegt und weitere Eigenwärme erzeugen kann.
Das Deaktivieren der Beheizung der Medienleitung bzw. von deren Leitungsverbinder(n) erfolgt vorteilhaft irreversibel, so dass der auftretende Fehlerfall, also das Überschreiten der vorgebbaren oder vorgegebenen Spannung und/oder Umgebungstemperatur, auch später noch detektiert werden kann. Die Funktionsfähigkeit der beheizbaren Medienleitung ist nach einem solchen Fehlerfall zumindest eingeschränkt, insbesondere ist ein Beheizen der Medienleitung nicht mehr möglich bzw. tritt eine irreversible Funktionsunterbrechung der elektrischen Beheizung der Medienleitung auf. Hierdurch kann der aufgetretene Fehlerfall festgestellt werden. Vorteilhaft sieht die thermische Schutzeinrichtung im Auslösungsfall eine Unterbrechung der Bestromung des Heizelements vor. Dies kann insbesondere bei Durchschmelzen einer Schmelzsicherung als thermischer Schutzeinrichtung auf einfache Art und Weise erfolgen. Grundsätzlich ist es ferner möglich, eine zusätzliche Fehleranzeige durch wie auch immer geartete Anzeigemittel vorzusehen.
Die thermische Schutzeinrichtung kann in Form eines thermischen Schutzelements, z. B. in Form einer Thermosicherung bzw. Schmelzsicherung vorgesehen werden. Dieses kann insbesondere in einer den Leitungsverbinder umgebenden Kapselung angeordnet sein. Gerade im Bereich eines Leitungsverbinders, auch als Quick Connector (QC) bezeichnet, wird das Auftauen eines dort durchströmenden Mediums aufgrund der im Vergleich zu der Medienleitung dickeren Wandstärke erschwert. Da ein besonders starkes Beheizen gerade im Bereich der Leitungsverbinder vorgesehen wird, hierdurch jedoch sog. Hot Spots insbesondere im Bereich der Verbindungsstellen von Heizelement und elektrischem Zuleiter von diesem auftreten können, erweist sich das Vorsehen einer entsprechenden thermischen Schutzeinrichtung im Bereich von möglichen Hot Spots als besonders vorteilhaft.
Um über die gesamte Lebensdauer der beheizbaren Medienleitung hinweg sicherzustellen, dass die thermische Schutzeinrichtung stets an der Stelle möglicher Hot Spots angeordnet ist, wird vorteilhaft sichergestellt, dass diese nicht aufgrund von Umwelteinflüssen wandern. Derartige Umwelteinflüsse können beispielsweise eindringendes Wasser oder anderes sein, die zu einem Wandern eines Hot Spots führen können. Um die Platzierung der thermischen Schutzeinrichtung über die gesamte Lebensdauer der beheizbaren Medienleitung hinweg optimal zu gestalten, kann zumindest der Anordnungsbereich der thermischen Schutzeinrichtung vorteilhaft nach außen abgedichtet sein oder werden, beispielsweise durch dichtes Umhüllen des Bereichs, in dem diese angeordnet ist, wobei auch ein Teil des Heizelements und/oder des elektrischen Zuleiters, mit dem die thermische Schutzeinrichtung in Kontakt steht, mit abgedichtet wird. Zum Abdichten kann einerseits ein Vergießen, andererseits aber z. B. auch ein Vorsehen eines Schrumpfschlauchs verwendet werden. Als weiter vorteilhaft erweist es sich, nicht nur den Anordnungsbereich der thermischen Schutzeinrichtung, sondern alle Verbindungsstellen zwischen Heizelement und elektrischem Zuleiter sowie innerhalb des Leitungsverbinders bzw. den Leitungsverbinder selbst gegen ein Eindringen von insbesondere Feuchtigkeit bzw. Wasser nach außen abzudichten. Ferner erweist es sich als vorteilhaft, die thermische Schutzeinrichtung in einer den Leitungsverbinder und/oder eine Verbindungsstelle zwischen Heizelement und elektrischem Zuleiter und einen Teil der beheizbaren Medienleitung umgebenden Kapselung anzuordnen. Hierdurch kann ein Verrutschen und somit die Gefahr eines Wanderns eines Hot Spots und dementsprechend einer falschen Anordnung der thermischen Schutzeinrichtung in Bezug auf diesen vermieden werden.
Zum redundanten Absichern der Regelung des Bestromens zumindest eines der Heizelemente der beheizbaren Medienleitung und/oder von dessen elektrischen Zuleiter und/oder einer Verbindungsstelle zwischen dem Heizelement und dessen elektrischen Zuleiter werden für den Fehlerfall, in dem die Regelung unzureichend ist oder sogar versagt, somit das zumindest eine Heizelement und/oder der zumindest eine elektrische Zuleiter und/oder die zumindest eine Verbindungsstelle zwischen dem Heizelement und dem elektrischen Zuleiter mit der thermischen Schutzeinrichtung zum temperaturabhängigen und/oder spannungsabhängigen Deaktivieren der Beheizung der Medienleitung und/oder eines Leitungsverbinders der beheizbaren Medienleitung versehen. Es kann somit bei explosiven durch die beheizbare Medienleitung oder in deren Nachbarschaft strömenden Medien, insbesondere bei einer Verwendung der beheizbaren Medienleitung bei einem Wasserstoffantrieb und/oder einer Brennstoffzelle, bei denen eine hohe Leistungseinkopplung zum Vorsehen einer schnellen Betriebsbereitschaft erforderlich ist, ein sicheres temperatur- und spannungsabhängig reagierendes Steuern und Regeln der Beheizung der beheizbaren Medienleitung erfolgen, ggf. im Fehlerfalle die Spannungszufuhr zu dem zumindest einen Heizelement vollständig unterbrochen werden, um die Gefahr von Explosionen gerade im Bereich von Hot Spots wirkungsvoll beheben oder zumindest stark einzuschränken.
Zur näheren Erläuterung der Erfindung werden im Folgenden Ausführungsbeispiele von dieser näher anhand der Zeichnung beschrieben. Diese zeigen in:
1 eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen beheizbaren Medienleitung mit endseitig angeordnetem Leitungsverbinder, Heizelementen sowie erfindungsgemäßer Steuerungs- und Regelungseinrichtung zum Steuern und Regeln der Spannungszufuhr zu den Heizelementen sowie erfindungsgemäßer thermischer Schutzeinrichtung,
2 eine perspektivische Detailansicht eines mit einer erfindungsgemäßen thermischen Schutzeinrichtung versehenen Heizelements mit elektrischem Zuleiter,
3 eine Prinzipskizze einer beheizbaren Medienleitung mit Leitungsverbinder und erfindungsgemäßer thermischer Schutzeinrichtung zwischen einem der Heizelemente und dessen elektrischem Zuleiter, aufgenommen in einer Kapselung,
4 eine Detailansicht einer u-förmigen thermischen Schutzeinrichtung in Anordnung an einem Heizelement,
5 ein Schaubild der einzelnen Stufen eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Steuern und Regeln der Beheizung einer beheizbaren Medienleitung.
1 zeigt eine Prinzipskizze einer beheizbaren Medienleitung 1 mit endseitig angeordnetem Leitungsverbinder 2. Entlang der beheizbaren Medienleitung erstrecken sich ein erstes und ein zweites Heizelement 10, 11, entlang dem Leitungsverbinder 2 ein drittes Heizelement 12. Die drei Heizelemente dienen dem Beheizen der beheizbaren Medienleitung 1 sowie des Leitungsverbinders 2. Das erste Heizelement 10 ist mit einem elektrischen Zuleiter 13, im Bereich einer Verbindungs- bzw. Crimpstelle 14 verbunden. Das zweite und das dritte Heizelement 11, 12 sind an einer Verbindungs- bzw. Crimpstelle 15 miteinander verbunden. Das dritte Heizelement 12 ist mit einem zweiten elektrischen Zuleiter 16 an einer dritten Verbindungs- bzw. Crimpstelle 17 verbunden.
Wie der 1 weiter entnommen werden kann, ist das dritte Heizelement 12 wendelförmig um den hier als Winkel-Leitungsverbinder 2 ausgebildeten Leitungsverbinder herum gewunden, wobei ebenfalls ersichtlich ist, dass jeweils an den beiden Enden des Leitungsverbinders 2 die Windungszahl höher ist als in dem dazwischen liegenden Bereich. Hierdurch kann endseitig an dem Leitungsverbinder eine höhere Leistung eingekoppelt werden, also mehr Wärme im Übergangsbereich zu der beheizbaren Medienleitung und zu einem an dem anderen Ende des Leitungsverbinders anschließbaren Aggregat oder einer anderen Einrichtung, um ein Auftauen eines durch die beheizbare Medienleitung sowie den Leitungsverbinder strömenden Mediums auch in diesen Übergangsbereichen optimal zu ermöglichen. Gerade in diesen Bereichen einer Anhäufung der Wendel des Heizelements 12 kann es bei hohen eingekoppelten Leistungen zu sog. Hot Spots kommen, also Stellen, an denen eine besonders hohe Erwärmung auftritt. Diese können auch an den Verbindungsstellen 14, 15 und 17 auftreten. Solche Hot Spots können ferner zusätzlich dadurch auftreten, dass Wärme lokal nur unzureichend abgeführt werden kann. Dies kann einerseits aufgrund des Einbauorts der Fall sein, andererseits aufgrund großer Wandstärke des Leitungsverbinders im Vergleich zu der Wandungsstärke der Medienleitung. Auch aufgrund einer außenseitigen Kapselung 4 des Leitungsverbinders 2 sowie des Bereichs der Verbindungs- bzw. Crimpstellen 14, 15, 17 und eines Teils der beheizbaren Medienleitung 1 kann es zu einer unzureichenden Wärmeabfuhr und somit lokal zum Auftreten von Hot Spots kommen. Eine solche Kapselung 4 ist in den 1 und 3 angedeutet.
Um das Auftreten solcher Hot Spots möglichst zu vermeiden, ist eine Steuerungs- und Regelungseinrichtung 5 vorgesehen. Diese ist in 1 lediglich angedeutet. Sie ist mit einer Spannungsquelle 6 verbunden, an die die beiden elektrischen Zuleiter 13, 16 über einen mit diesen verbundenen Stecker 18 angeschlossen werden kann. Dies ist ebenfalls in 1 angedeutet.
Die Steuerungs- und Regelungseinrichtung 5 sieht eine Strategie zum Steuern und Regeln der Spannungszufuhr zu den elektrischen Zuleitern 13, 16 und somit der Bestromung des ersten bis dritten Heizelements 10 bis 12 dahingehend vor, dass bei sehr niedrigen Temperaturen eine Dauerbestromung, bei vorgebbaren mittleren Temperaturen ein getakteter Betrieb und ab einer vorgebbaren oberen Temperaturgrenze eine Abschaltung der Bestromung der Heizelemente 10 bis 12 erfolgt. Dies ist in 5 in dem dort gezeigten Schaubild veranschaulicht. Hierbei ist die Spannung U in Volt (V) über der Temperatur T in °C aufgetragen. Die Temperatur ist eine Referenztemperatur, auf die für die Art der Steuerung bzw. Regelung Bezug genommen wird und die beispielsweise im Bereich der oder in der beheizbaren Medienleitung 1, im Bereich des oder in dem Leitungsverbinder 2 bzw. in der Umgebung von dieser bzw. diesem herrscht. Unter der Umgebung wird hier die nahe Umgebung, aber auch die fernere verstanden. Es kann als Referenztemperatur daher auch eine Temperatur im Bereich oder der Umgebung der Anordnungsstelle der beheizbaren Medienleitung bzw. von deren Leitungsverbinder berücksichtigt werden, die auf die Art der Steuerung bzw. Regelung irgendeinen Einfluss ausüben kann, wie z. B. die Außentemperatur eines Fahrzeugs, in dem die beheizbare Medienleitung angeordnet ist, oder eine Kabinentemperatur einer Kabine, in der die beheizbare Medienleitung angeordnet ist. Es können geeignete Messpunkte zum Messen der für den Betrieb der jeweiligen beheizbaren Medienleitung relevanten Referenztemperatur ermittelt bzw. definiert werden, die von Anwendungsfall zu Anwendungsfall im Hinblick auf ihre Anzahl und Positionierung variieren können. Es sind drei Temperaturniveaus T1 bis T3 definiert, wobei es je nach Anwendungsfall nicht unbedingt erforderlich ist, drei Temperaturniveaus zu definieren, sondern das erste Temperaturniveau T1 als unteres und das dritte Temperaturniveau T3 als oberes Temperaturniveau ausreichend sein können. Wie 5 entnommen werden kann, erfolgt unterhalb des ersten Temperaturniveaus T1 ein dauerhaftes Bestromen der Heizelemente 10 bis 12, in dem Bereich zwischen dem ersten und dritten Temperaturniveau T1 und T3 ein zumindest zeitweise getaktetes Bestromen, ggf. kann zunächst zeitbegrenzt ein dauerhaft geschaltetes Bestromen für eine vorgegebene bestimmte Zeitdauer, anschließend ein getaktetes Bestromen in der zweiten Stufe vorgesehen werden. Oberhalb des Temperaturniveaus T3 erfolgt kein Bestromen mehr, ab dem dritten Temperaturniveau T3 ist kein Beheizen des durch die Medienleitung und durch den Leitungsverbinder strömenden Mediums mehr erforderlich. Beispielsweise kann das erste Temperaturniveau T1 bei einer Temperatur von –20 oder –25°C liegen und das Temperaturniveau T3 im Bereich von +5°C. Bei Vorsehen dreier Temperaturgrenzen T1 bis T3 kann anwendungsspezifisch ein unterschiedliches Bestromen im Bereich zwischen T1 und T2 und zwischen T2 und T3 vorgesehen werden.
Wie dem Schaubild in 5 weiter entnommen werden kann, erfolgt unabhängig von der Höhe der Betriebsspannung U der Spannungsquelle 6 in der ersten Stufe S1 stets ein dauerhaftes Bestromen und in der dritten Stufe S3 stets kein Bestromen, also ein Abschalten des Bestromens der Heizelemente 10 bis 12. Im Bereich der zweiten Stufe S2 ist die Art des Bestromens abhängig von der Betriebsspannung U der Spannungsquelle 6 und der Referenztemperatur. Hierbei werden in dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel drei Spannungsniveaus definiert, ein unteres Spannungsniveau U_min, ein erstes oberstes Spannungsniveau U_max1 und ein zweites oberes bzw. maximales Spannungsniveau U_max2. Unterhalb des unteren Spannungsniveaus U_min erfolgt ebenso wie oberhalb des zweiten oberen Spannungsniveaus U_max2 kein Bestromen der Heizelemente 10 bis 12. Diese Bereiche werden als unzulässige Spannungsbereiche definiert. In dem üblichen Betriebsbereich zwischen dem unteren Spannungsniveau U_min und dem ersten oberen Spannungsniveau U_max1 erfolgt in der zweiten Stufe S2 der Regelung und Steuerung der Beheizung der beheizbaren Medienleitung 1 ein getakteter Betrieb, wie bereits erwähnt. Dieser kann ein zeitlich begrenztes Bestromen und nachfolgend ein getaktetes Bestromen mit einem Modulationsgrad m₁ umfassen, ebenso ein durchgängig getaktetes Bestromen oder einen getakteten Betrieb mit einem gegenüber dem Modulationsgrad m₁ geringeren Modulationsgrad m₃. Bei letzterem ist eine unterschiedliche Modulation möglich, so dass eine Anpassung an jeweilige äußere Einflüsse im Bereich der beheizbaren Medienleitung und von deren Leitungsverbinder beim Bestromen der Heizelemente 10 bis 12 erfolgen kann. Im Betriebsspannungsbereich zwischen dem ersten oberen Spannungsniveau U_max1 und dem zweiten oberen Spannungsniveau U_max2 wird vorteilhaft nur ein getakteter Betrieb mit einem gegenüber dem Modulationsgrad m₃ größeren Modulationsgrad m₂, der etwa dem Modulationsgrad m₁ entsprechen kann, zugelassen, um eine Beschädigung der beheizbaren Medienleitung 1 durch zu hohe Spannungseinkopplung zu vermeiden. Im Betriebsspannungsbereich zwischen dem ersten oberen Spannungsniveau U_max1 und dem zweiten oberen Spannungsniveau U_max2 im Temperaturbereich zwischen dem zweiten und dem dritten Temperaturniveau T2, T3 wird vorteilhaft nur ein getakteter Betrieb mit einem gegenüber dem Modulationsgrad m₃ niedrigeren Modulationsgrad m₄ vorgesehen. Für alle Modulationsgrade m₁, m₂, m₃, m₄ gilt, dass dieser durch die Einschaltzeit t_EIN im Verhältnis zur Summe aus Einschaltzeit t_EIN und Ausschaltzeit t_AUS, also der Zykluszeit t_ZYKLUS bestimmt wird.
Bei einem zeitlich begrenzten Bestromen kann eine Bestromungsdauer vorgegeben werden, innerhalb derer eine dauerhafte Bestromung erfolgt. Nach Ablauf der vorgegebenen Zeitspanne geht die Steuerungs- und Regelungseinrichtung 5 in einen getakteten Betrieb über, wobei die Taktfrequenz anwendungsspezifisch variiert werden kann.
Um bei der Steuerung und Regelung der Beheizung der Medienleitung und von deren Leitungsverbinder(n) eine Rückkopplung im Hinblick auf variierende Umgebungstemperaturen T in der Umgebung der beheizbaren Medienleitung 1 und des zumindest einen Leitungsverbinders 2 sowie am Einbauort von diesen, beispielsweise in einem Fahrzeug, vornehmen zu können, ist ein Temperatursensor 7 vorgesehen. Dieser übermittelt die erfassten Temperaturwerte T an die Steuerungs- und Regelungseinrichtung 5, wie in 1 angedeutet, die der Steuerung und Regelung zugrundegelegt werden, wie in 5 gezeigt. Ein Temperatursensor kann ggf. zusätzlich die Temperatur der beheizbaren Medienleitung 1 im kritischen Bereich von möglichen Hot Spots erfassen und diese Temperatur ebenfalls als Eingangsgröße der Steuerungs- und Regelungseinrichtung 5 zuführen. Hierdurch ist eine Anpassung der Bestromungsart, also der Art der Steuerung und Regelung der Beheizung der beheizbaren Medienleitung sowie von deren Leitungsverbinder(n), permanent möglich, um Leitung und Leitungsverbinder vor einem Durchbrennen zu schützen und den Betrieb der beheizbaren Medienleitung so sicher wie möglich zu gestalten, auch bei Durchströmen der Medienleitung und des zumindest einen Leitungsverbinders mit einem sicherheitsrelevanten Medium, wie beispielsweise Wasserstoff. Die in die beheizbare Medienleitung sowie deren Leitungsverbinder eingekoppelte Leistung wird durch die Steuerungs- und Regelungseinrichtung 5 entsprechend begrenzt, in Abhängigkeit von der jeweiligen Betriebsspannung U der Spannungsquelle 6 sowie den vom Temperatursensor 7 gemessenen Umgebungstemperaturen T.
Anstelle einer Temperaturmessung zum Ermitteln der Referenztemperatur bzw. der Umgebungstemperaturen, über die auf den Aggregatzustand des durch die beheizbare Medienleitung und den zumindest einen Leitungsverbinder strömenden Mediums geschlossen oder dieser ermittelt wird, da dieser für die Art der Steuerung bzw. Regelung relevant ist, ist es ebenfalls möglich, den jeweiligen Aggregatzustand des Mediums auf andere Art und Weise zu ermitteln und diesen ermittelten Parameter der Steuerung bzw. Regelung zugrunde zu legen.
Beispielsweise könnte eine optische und/oder akustische Ermittlung des jeweiligen Aggregatzustands des Mediums vorgesehen werden, ggf. auch in Kombination mit der Temperaturmessung.
Aus dem Vorstehenden ist ersichtlich, dass es sich beim Betrieb der Beheizung teilweise um eine Steuerung und teilweise um eine Regelung handelt. Aus diesem Grunde wird vorliegend von einer Steuerungs- und Regelungseinrichtung 5 bzw. einer kombinierten Steuerung und Regelung der Bestromung der Heizelemente gesprochen.
Ein druckloses Abfließen des durch die beheizbare Medienleitung 1 und den zumindest einen Leitungsverbinder 2 strömenden Mediums ist für einen Betrieb einer Brennstoffzelle unbedingt erforderlich. Dementsprechend muss das dort hindurchströmende Medium aufgetaut sein, was mittels der vorstehend beschriebenen Steuerung und Regelung der Bestromung der Heizelemente 10 bis 12 ermöglicht wird. Im Hinblick auf die Verwendung explosionsgefährdeter Stoffe (Wasserstoff) beim Betrieb einer Brennstoffzelle erweist sich das Vorsehen einer Thermosicherung 8 zum Vermindern oder Beheben der von diesem Medium ausgehenden Gefahr bei zu hoher anliegender Spannung bzw. zu hohen Umgebungstemperaturen und/oder Betriebsstemperaturen als sehr vorteilhaft. Diese ist zusätzlich zu der vorstehend beschriebenen besonderen Art einer Steuerung und Regelung der Beheizung der beheizbaren Medienleitung 1 sowie von deren zumindest einem Leitungsverbinder 2 zum redundanten Absichern der beheizbaren Medienleitung 1 und von deren Leitungsverbinder(n) 2 vorgesehen. Die Thermosicherung 8 ist in 1 im Bereich der Verbindungs- bzw. Crimpstelle 14 zwischen erstem Heizelement 10 und erstem elektrischen Zuleiter 13 angedeutet. Die Thermosicherung 8 liegt somit in Reihe mit dem ersten Heizelement 10 und dem ersten elektrischen Zuleiter 13. Wie den 2 und 3 entnommen werden kann, kann die Thermosicherung 8 auch entlang der Längserstreckung des elektrischen Zuleiters 13 angeordnet werden. Ebenso ist grundsätzlich auch eine Anordnung im Bereich des zweiten elektrischen Zuleiters 16 bzw. im Bereich der Verbindungs- bzw. Crimpstelle 17 und/oder 15 und/oder entlang der Heizelemente 10, 11, 12, vorzugsweise im Bereich des Leitungsverbinders 2 möglich. Die Thermosicherung 8 ist bevorzugt am oder neben einem Hot Spot der elektrisch beheizbaren Medienleitung vorgesehen, insbesondere im Bereich des oder der Leitungsverbinder bzw. von angehäuften Heizelementwendeln, die sich um den Leitungsverbinder 2 herum erstrecken oder, wie in 1 und 3 angedeutet, im Bereich einer Verbindungs- bzw. Crimpstelle zwischen Heizelement und elektrischem Zuleiter.
Um zu vermeiden, dass ein Hot Spot über die Lebensdauer der elektrisch beheizbaren Medienleitung bzw. von deren Leitungsverbinder wandert und dementsprechend die Thermosicherung 8 irgendwann nicht mehr an der korrekten Stelle angeordnet ist, wird diese nach außen gegen Umwelteinflüsse, die zu einem Wandern des Hot Spots führen können, abgedichtet. Dies ist in 2 durch Vorsehen eines Schrumpfschlauchs 9 angedeutet. Anstelle des Vorsehens eines Schrumpfschlauchs 9 kann auch ein Verguss 90 dieses Bereichs vorgesehen werden. Die Thermosicherung 8 ist dabei in Reihe bzgl. des elektrischen Zuleiters 13 und in direktem Kontakt mit dem Heizelement 10 angeordnet. Durch das Abdichten dieses Bereichs, in dem die Thermosicherung 8 angeordnet ist, nach außen können Umwelteinflüsse, wie eindringendes Wasser oder ähnliches von der Thermosicherung ferngehalten werden. Gerade im Hinblick auf die Problematik der Gefahr eines Eindringens von Wasser oder anderer zu einem Kurzschluss bezüglich der Heizelemente bzw. deren Stromzufuhr führender Medien in das Innere des Leitungsverbinders 2 bzw. die Verbindungs- bzw. Crimpstellen 14, 15, 17 erweist es sich als weiter vorteilhaft, nicht nur den Anordnungsbereich der Thermosicherung 8, sondern alle Verbindungsstellen zwischen Heizelement 10, 11, 12 und elektrischem Zuleiter 13, 16 sowie innerhalb des Leitungsverbinders 2 bzw. den Leitungsverbinder 2 selbst gegen ein Eindringen von insbesondere Feuchtigkeit bzw. Wasser nach außen abzudichten. Dies kann ebenfalls durch Verguss, Schrumpfschläuche etc. erfolgen. Durch das zusätzliche Anordnen der Thermosicherung 8 benachbart zu dem Heizelement 10 und dieser Elemente zusammen mit einem Teil des elektrischen Zuleiters 13 in der Kapselung 4 ist ein weiterer Schutz gegen äußere Umwelteinflüsse und insbesondere ein Aufrechterhalten der einmal vorgenommenen Positionierung dieser Elemente möglich. Dies ist auch in 3 angedeutet.
In dieser Ausführungsvariante gemäß 3 ist die Thermosicherung 8 lediglich, wie in 2 angedeutet, im Bereich des ersten Heizelements 10 und des ersten elektrischen Zuleiters 13 angeordnet. Grundsätzlich ist es ebenfalls möglich, eine zweite Thermosicherung im Bereich der beiden Heizelemente 11, 12 bzw. deren Verbindungsstelle 15 anzuordnen. Ebenfalls kann, wie bereits vorstehend erwähnt, eine Thermosicherung auch im Bereich des dritten Heizelements 12 und des zweiten elektrischen Zuleiters 16 bzw. der Verbindungsstelle 17 angeordnet werden. Auch eine andere Positionierung der Thermosicherung 8 innerhalb der Kapselung 4 oder im Bereich der beheizbaren Medienleitung, beispielsweise unterhalb eines diese ummantelnden Hüllrohres 19 ist möglich. Sinnvollerweise ist die Thermosicherung 8 bzw. sind Thermosicherungen überall dort angeordnet, wo ein Hot Spot zu erwarten ist, um die von explodierenden und/oder anderweitig stark reagierenden Medien ausgehende Gefahr zu vermindern.
Als Thermosicherung kann beispielsweise eine Thermosicherung der Firma Alpha Therm GmbH, Leimen, verwendet werden, die diese z. B. unter der Bezeichnung DF-Serie und E–F Serie anbietet. Bei dieser sind für unterschiedliche Auslösetemperaturen geeignete Thermosicherungen verfügbar.
Wie in 4 gezeigt, kann ferner eine in der Draufsicht u-förmige Thermosicherung 80 verwendet werden, die eine schlitzförmige Aussparung 81 aufweist. In diese schlitzförmige Aussparung 81 kann zumindest eines der Heizelemente 10 bis 12 und/oder einer der elektrischen Zuleiter 13 bzw. 16 eingefügt werden. Beispielsweise kann die Thermosicherung 80 in der Kapselung 4 fest positioniert und das entsprechende Heizelement 10, 11 bzw. 12 bzw. der entsprechende elektrische Zuleiter 13 bzw. 16 durch die schlitzförmige Aussparung 81 hindurch an der Thermosicherung 80 vorbeigeführt werden. Derartige Thermosicherungen sind unter der Bezeichnung TAMURA als HU-F-Serie der Firma Alpha Therm GmbH für verschiedene Auslösetemperaturen verfügbar. Nach dem Vorbeiführen eines Heizelements bzw. eines elektrischen Zuleiters an der Thermosicherung 80 bzw. durch deren schlitzförmige Aussparung 81 hindurch erfolgt vorteilhaft ein Vergießen dieser Anordnung, um Umwelteinflüsse vom Hot Spot fernzuhalten und die einmal vorgenommene Anordnung dauerhaft zu fixieren.
Zusätzlich zu der beschriebenen zumindest dreistufigen Regelstrategie wird somit zumindest eines der Heizelemente zusätzlich thermisch abgesichert, um bei der Verwendung der beheizbaren Medienleitung mit endseitigem/n Leitungsverbinder(n) bei Wasserstoffantrieben bzw. Brennstoffzellen oder anderen Anwendungen, bei denen sicherheitsrelevante Medien verwendet werden, insbesondere Wasserstoff, eine sehr hohe Betriebssicherheit vorsehen zu können. Bei jeder Art einer hohen Leistungseinkopplung kann somit diese sukzessive so abgeführt werden, dass die Gefahr von Explosionen oder anderen negativen Auswirkungen eines Überhitzens der sicherheitsrelevanten Medien so weit wie möglich minimiert werden kann.
Neben den im Vorstehenden beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsvarianten einer beheizbaren Medienleitung mit zumindest einem Leitungsverbinder und mit zumindest einem Heizelement zum Beheizen der Medienleitung und des Leitungsverbinders sowie eines Verfahrens zum Steuern und Regeln der Beheizung der beheizbaren Medienleitung mit zumindest einem Heizelement, also zu deren Betrieb, können insbesondere zum Schutz der beheizbaren Medienleitung vor Beschädigung noch zahlreiche weitere Varianten von Systemen und Verfahren entworfen werden, bei denen jeweils zumindest eine Steuerungs- und Regelungseinrichtung zum Steuern und Regeln der Spannungszufuhr zu dem Heizelement und zusätzliche eine thermische Schutzeinrichtung zum temperaturabhängigen und/oder spannungsabhängigen Deaktivieren der Beheizung der Medienleitung und/oder des Leitungsverbinders im Bereich des zumindest einen Leitungsverbinders vorgesehen sind bzw. bei dem das Bestromen des zumindest einen Heizelements temperatur- und/oder spannungsabhängig zumindest dreistufig erfolgt, wobei in einer ersten Stufe dauerhaft, in einer zweiten Stufe zumindest zeitweise getaktet und in einer dritten Stufe nicht bestromt wird. Grundsätzlich kann die thermische Schutzeinrichtung zum temperaturabhängigen und spannungsabhängigen Deaktivieren der Beheizung der beheizbaren Medienleitung und des Leitungsverbinders auch ohne das Vorsehen einer Spannungs- und Regelungseinrichtung zum Steuern und Regeln der Spannungszufuhr zu dem zumindest einen Heizelement vorgesehen werden. Durch Vorsehen sowohl der besonderen Art der Regelstrategie als auch der thermischen Schutzeinrichtung in Form einer Thermosicherung kann jedoch eine Redundanz der thermischen Absicherung für besonders kritische Anwendungen geschaffen werden.
Bezugszeichenliste

1: beheizbare Medienleitung
2: Leitungsverbinder
4: Kapselung
5: Steuerungs- und Regelungseinrichtung
6: Spannungsquelle
7: Temperatursensor
8: Thermosicherung
9: Schrumpfschlauch
10: erstes Heizelement
11: zweites Heizelement
12: drittes Heizelement
13: erster elektrischer Zuleiter
14: Verbindungs-/Crimpstelle
15: Verbindungs-/Crimpstelle
16: zweiter elektrischer Zuleiter
17: Verbindungs-/Crimpstelle
18: Stecker
19: Hüllrohr
80: Thermosicherung
81: schlitzförmige Aussparung
90: Verguss
T: Umgebungstemperatur
T1: erstes Temperaturniveau
T2: zweites Temperaturniveau
T3: drittes Temperaturniveau
S1: erste Stufe
S2: zweite Stufe
S3: dritte Stufe
U: Betriebsspannung von 6
U_min: unteres Spannungsniveau
U_max1: erstes oberes Spannungsniveau
U_max2: zweites oberes Spannungsniveau
m₁: erster Modulationsgrad
m₂: zweiter Modulationsgrad
m₃: dritter Modulationsgrad
m₄: vierter Modulationsgrad
t_EIN: Einschaltzeit
t_AUS: Ausschaltzeit
t_ZYKLUS: Zykluszeit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102010032189 A1 [0003]
DE 10207794 B4 [0005, 0010]

Claims

System enthaltend zumindest eine beheizbare Medienleitung (1) mit zumindest einem Leitungsverbinder (2) und mit zumindest einem Heizelement (10, 11, 12) zum Beheizen der Medienleitung (1) und des Leitungsverbinders (2), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Steuerungs- und Regelungseinrichtung (5) zum Steuern und Regeln der Spannungszufuhr zu dem Heizelement (10, 11, 12) und zumindest eine thermische Schutzeinrichtung (8, 80) zum temperaturabhängigen und/oder spannungsabhängigen Deaktivieren der Beheizung der Medienleitung (1) und/oder des Leitungsverbinders (2) im Bereich des zumindest einen Leitungsverbinders (2) vorgesehen sind.
Beheizbare Medienleitung (1) zur Verwendung in dem System nach Anspruch 1, mit zumindest einem Leitungsverbinder (2) und mit zumindest einem Heizelement (10, 11, 12) zum Beheizen der Medienleitung (1) und des Leitungsverbinders (2), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine thermische Schutzeinrichtung (8, 80) zum temperaturabhängigen und/oder spannungsabhängigen Deaktivieren der Beheizung der Medienleitung (1) und/oder des Leitungsverbinders (2) im Bereich des zumindest einen Leitungsverbinders (2) vorgesehen und im direkten Kontakt mit dem Heizelement (10, 11, 12) angeordnet ist.
Beheizbare Medienleitung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Schutzeinrichtung (8, 80) in einer oder im Bereich einer Hot Spot-Stelle abgeordnet ist, insbesondere in eine Verbindungsstelle (14, 17) zwischen dem zumindest einen Heizelement (10, 11, 12) und dessen elektrischem Zuleiter (13, 16) integriert oder in Reihe mit diesen angeordnet ist.
Beheizbare Medienleitung (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Schutzeinrichtung (8, 80) in Reihe mit dem zumindest einen Heizelement (10, 11, 12) und/oder einem elektrischen Zuleiter (13, 16) zu diesem vorgesehen ist.
Beheizbare Medienleitung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Schutzeinrichtung (8, 80) nach außen abgedichtet ist, insbesondere in einer den Leitungsverbinder (2) und/oder eine Verbindungsstelle (14, 17) zwischen Heizelement (10, 11, 12) und elektrischem Zuleiter (13, 16) und einen Teil der beheizbaren Medienleitung (1) umgebenden Kapselung (4) anordnet ist.
Beheizbare Medienleitung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Schutzeinrichtung ein thermisches Schutzelement (8, 80) ist, das im Auslösungsfall eine Unterbrechung der Bestromung des Heizelements (10, 11, 12) vorsieht und/oder eine Fehleranzeige auslöst, insbesondere eine irreversible Unterbrechung der Bestromung.
Verfahren zum Betrieb einer beheizbaren Medienleitung (1) mit zumindest einem Heizelement (10, 11, 12) zum Schutz der beheizbaren Medienleitung (1) vor Beschädigung, dadurch gekennzeichnet, dass das Bestromen des zumindest einen Heizelements (10, 11, 12) temperatur- und/oder spannungsabhängig zumindest dreistufig erfolgt, wobei in einer ersten Stufe (S1) dauerhaft, in einer zweiten Stufe (S2) zumindest zeitweise getaktet und in einer dritten Stufe (S3) nicht bestromt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Stufe (S2) geschaltet und getaktet mit einem vorgebbaren oder vorgegebenen Modulationsgrad (m₁, m₂, m₃) bestromt wird, insbesondere ein getaktetes Bestromen mit wechselndem Modulationsgrad (m₃) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Stufe (S2) zeitabhängig dauerhaft getaktet bestromt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur (T) in der Umgebung der beheizbaren Medienleitung (1) und/oder eines temperaturkritischen Bereichs der beheizbaren Medienleitung (1), insbesondere eines Leitungsverbinders (2) der beheizbaren Medienleitung (1), und/oder am Einbauort der beheizbaren Medienleitung (1) ermittelt und bei der Regelung und Steuerung als Eingangsgröße berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsspannung (U) der Spannungsquelle (6) ermittelt und bei der Regelung und Steuerung als Eingangsgröße berücksichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb einer ersten erfassten Betriebsspannung (U_min) nicht bestromt wird, oberhalb der ersten Betriebsspannung (U_min) eine Bestromung temperatur- und/oder zeitabhängig erfolgt, und oberhalb einer maximalen Betriebsspannung (U_max2) nicht bestromt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb einer ersten erfassten Temperatur (T1) in der ersten Stufe (S1) dauerhaft bestromt wird, ab einer maximalen Temperatur (T3) in der dritten Stufe (S3) nicht bestromt wird, und ab der ersten Temperatur (T1) und unterhalb der maximalen Temperatur (T3) und ab der ersten Betriebsspannung (U_min), jedoch unterhalb einer oberen Betriebsspannung (U_max1) in der zweiten Stufe (S2) für eine bestimmte Zeit dauerhaft bestromt und danach mit einem ersten Modulationsgrad (m₁) getaktet bestromt wird, wobei ab der oberen Betriebsspannung (U_max1) bis zur maximalen Betriebsspannung (U_max2) in der zweiten Stufe (S2) mit einem zweiten Modulationsgrad (m₂) getaktet bestromt wird, wobei der erste Modulationsgrad (m₁) und der zweite Modulationsgrad (m₂) gleich oder unterschiedlich sind.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten Stufe (S2) ab einer vorbestimmten mittleren Temperatur (T2) mit zumindest einem dritten Modulationsgrad (m₃, m₄) getaktet bestromt wird, wobei der dritte Modulationsgrad (m₃, m₄) kleiner ist als sowohl der erste als auch der zweite Modulationsgrad (m₁, m₂).
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zum redundanten Absichern der Regelung des Bestromens zumindest eines der Heizelemente (10, 11, 12) der beheizbaren Medienleitung (1) und/oder von dessen elektrischem Zuleiter (13, 16) und/oder einer Verbindungsstelle (14, 17) zwischen dem Heizelement (10, 11, 12) und dessen elektrischen Zuleiter (13, 16) mit zumindest einer thermischen Schutzeinrichtung in Form einer Thermosicherung (8, 80) zum temperaturabhängigen und/oder spannungsabhängigen Deaktivieren der Beheizung der Medienleitung (1) und/oder zumindest eines Leitungsverbinders (2) der beheizbaren Medienleitung (1) versehen wird.
Verwendung des Systems oder der beheizbaren Medienleitung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 bei einem Wasserstoffantrieb und/oder bei einer Brennstoffzelle.