DE102014105288A1 - Filter heating for urea solution and method for producing a filter heating for urea solution - Google Patents
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Abstract
Beschrieben wird eine Filterheizung für Harnstofflösung, mit einem aus Blech ausgeschnittenen Heizleiter (4), der aus einer Reihe von nebeneinander angeordneten Streifen (4a) besteht, die mit einem benachbarten Streifen (4a) jeweils an einem Ende verbunden sind, und einer Wand (3) aus Kunststoff, die einen zur Aufnahme eines Filters (1) vorgesehenen Raum umgibt, wobei der Heizleiter (4) flüssigkeitsdicht in der Wand (3) eingeschlossen ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Wand (3) eine gewellte Form hat und der Heizleiter (4) zur Wand (3) passend gebogen ist. Zudem wird ein Verfahren zum Herstellen einer Filterheizung (1) für Harnstofflösung beschrieben.Described is a filter heating for urea solution, with a heat conductor cut out of sheet metal (4), which consists of a series of juxtaposed strips (4a), which are connected to an adjacent strip (4a) at one end, and a wall (3 ) of plastic, which surrounds a space provided for receiving a filter (1), wherein the heating conductor (4) is liquid-tightly enclosed in the wall (3). According to the invention it is provided that the wall (3) has a corrugated shape and the heating conductor (4) to the wall (3) is bent suitably. In addition, a method for producing a filter heater (1) for urea solution is described.
Description
Die Erfindung geht von einer Filterheizung für Reduktionsmittel mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 aus, wie sie beispielsweise aus der
Harnstofflösung ist chemisch sehr korrosiv. Der Heizleiter einer Filterheizung für Harnstofflösung wird deshalb üblicherweise durch ein Kunststoffgehäuse vor Kontakt mit der korrosiven Harnstofflösung geschützt. Wegen der relativ schlechten Leitfähigkeit von Kunststoffen ist die thermische Ankopplung der Heizelemente an Harnstofflösung umso schlechter, je dicker ein solches Kunststoffgehäuse ist. Im Allgemeinem wird deshalb angestrebt, das Kunststoffgehäuse einer Filterheizung für Harnstofflösung so dünn wie möglich auszuführen, damit von dem Heizelementen erzeugte Wärme möglichst rasch und effizient an Harnstofflösung abgegeben werden kann. Allerdings wird die Herstellung eines flüssigkeitsdichten Kunststoffgehäuses bei kleinen Wandstärken zunehmend problematisch. Da bereits sehr kleine Mengen Harnstofflösung den Heizleiter zerstören können, müssen selbst winzige Leckagestellen zuverlässig vermieden werden.Urea solution is chemically very corrosive. The heating conductor of a filter heating for urea solution is therefore usually protected by a plastic housing from contact with the corrosive urea solution. Because of the relatively poor conductivity of plastics, the thicker such a plastic housing, the worse the thermal coupling of the heating elements to urea solution. In general, therefore, the aim is to make the plastic housing of a filter heating for urea solution as thin as possible so that heat generated by the heating elements can be delivered to urea solution as quickly and efficiently as possible. However, the production of a liquid-tight plastic housing with small wall thicknesses becomes increasingly problematic. Since even very small amounts of urea solution can destroy the heating element, even tiny leakage points must be reliably avoided.
Diese Anforderung, ein möglichst dünnwandiges, aber dennoch zuverlässig flüssigkeitsdichtes Gehäuse zu schaffen, wird dadurch erschwert, dass das Kunststoffgehäuse den mechanischen Belastungen durch gefrorene Harnstofflösung standhalten muss. Das Volumen von Harnstofflösung dehnt sich beim Einfrieren um etwa 11% aus. In Abhängigkeit vom Füllstand kann deshalb ein erheblicher Eisdruck auftreten, der das Kunststoffgehäuse nicht beschädigen darf.This requirement to create a thin-walled but nevertheless reliable liquid-tight housing is made more difficult by the fact that the plastic housing has to withstand the mechanical loads caused by frozen urea solution. The volume of urea solution expands by about 11% upon freezing. Depending on the level, therefore, a significant ice pressure may occur that must not damage the plastic housing.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Weg aufzuzeigen, wie eine Filterheizung für Harnstofflösung geschaffen werden kann, die eine bessere thermische Ankopplung an Harnstofflösung und somit ein schnelleres Auftauen von Harnstoffeis ermöglicht.Object of the present invention is to show a way how a filter heating for urea solution can be created, which allows a better thermal coupling to urea solution and thus a faster thawing of urea ice.
Diese Aufgabe wird durch eine Filterheizung mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie durch ein Verfahren gemäß Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.This object is achieved by a filter heater having the features specified in claim 1 and by a method according to claim 10. Advantageous developments of the invention are the subject of dependent claims.
Eine erfindungsgemäße Filterheizung für Harnstofflösung hat eine Wand aus Kunststoff, die einen zur Aufnahme eines Filters vorgesehenen Raum umgibt. Die Wand ist bevorzugt eine Ringwand. Möglich ist aber auch, dass die Wand den Raum zur Aufnahme eines Filters nur U- oder C-förmig umgibt.A filter heating according to the invention for urea solution has a wall of plastic surrounding a space provided for receiving a filter. The wall is preferably an annular wall. It is also possible that the wall surrounds the space for receiving a filter only U- or C-shaped.
Die Wand hat eine gewellte Form, vorzugsweise eine zickzackförmig gewellte Form, und enthält einen aus Blech, bevorzugt korrosionsbeständigem Stahlblech, ausgeschnittenen Heizleiter der passend zur Wand gebogen ist. Die gewellte Form hat mehrere Vorteile. Zum Einen kann die Wand die mit dem Einfrieren und Auftauen von Harnstofflösungen verbundenen Volumenänderungen gut ausgleichen, indem sie sich verformt und je nach Bedarf ausdehnt. Zum Anderen bewirkt die gewellte Form der Wand eine besonders große Fläche, über welche von dem Heizleiter erzeugte Wärme an umgebende Harnstofflösung abgegeben werden kann. Bei Frost kann deshalb sehr schnell eine größere Menge von Harnstofflösung in einem an die Wand angrenzenden Volumen aufgetaut werden. Zudem lässt sich wegen der Biegung des Heizleiters eine größere Heizleiterlänge bei einem gegebenen Umfang der Filterheizung in der Wand anordnen und somit die Heizleitertemperatur bei gleicher Heizleistung herabsetzen.The wall has a corrugated shape, preferably a zigzag corrugated shape, and contains a sheet metal, preferably corrosion-resistant steel sheet, cut out heating conductor which is bent to fit the wall. The corrugated shape has several advantages. On the one hand, the wall can well balance the volume changes associated with the freezing and thawing of urea solutions by deforming and expanding as needed. On the other hand, the corrugated shape of the wall causes a particularly large area over which heat generated by the heating conductor can be delivered to surrounding urea solution. In frost, therefore, a larger amount of urea solution can be thawed very quickly in a volume adjacent to the wall. In addition, because of the bending of the heat conductor, a larger heat conductor length can be arranged in the wall for a given extent of the filter heating and thus reduce the heat conductor temperature for the same heat output.
In der Wand ist ein Heizleiter angeordnet, der aus Blech ausgeschnitten ist. Der Heizleiter besteht aus einer Reihe von nebeneinander angeordneten Streifen, die an ihren Enden verbunden sind. Ein solcher Heizleiter kann hergestellt werden, indem in einen Blechstreifen eine Serie von Schlitzen geschnitten werden, die alternierend von dessen Längsrändern ausgehen. Zwischen den Schlitzen sind dann die Streifen des Heizleiters, die an ihren Enden mit benachbarten Streifen über einen Steg verbunden sind. Die Stege werden von dem Material des Blechstreifens gebildet, das zwischen dem Ende eines Schlitzes und dem entsprechenden Längsrand des Streifens verbleibt.In the wall, a heating element is arranged, which is cut out of sheet metal. The heating conductor consists of a series of juxtaposed strips connected at their ends. Such a heating conductor can be made by cutting into a sheet metal strip a series of slots which alternately emanate from its longitudinal edges. Between the slots are then the strips of the heating conductor, which are connected at their ends with adjacent strips via a web. The webs are formed by the material of the sheet metal strip, which remains between the end of a slot and the corresponding longitudinal edge of the strip.
Nachdem der Heizleiter aus dem Blechstreifen ausgeschnitten ist, wird er passend zu der gewellten Form der Ringwand gefaltet, beispielsweise indem die Stege zwischen benachbarten Streifen des Heizleiters gebogen werden. Stege an einem Ende der Streifen werden dabei in entgegen gesetzter Richtung gebogen wie Stege am anderen Ende der Streifen. Benachbarte Streifen des Heizleiters sind dann relativ zueinander um eine geometrische Achse verdreht, die entlang ihrer Längsrichtung verläuft. Es sind aber auch andere Anordnungen von Heizstreifen denkbar. So können beispielsweise nicht die Streifen, sondern die Stege zueinander verdreht werden, der Heizleiter kann bifilar angeordnet werden oder auch aus mehreren Einzelabschnitten bestehen.After the heating conductor is cut out of the sheet metal strip, it is folded to fit the corrugated shape of the ring wall, for example by bending the webs between adjacent strips of the heating conductor. Webs at one end of the strips are bent in the opposite direction as webs at the other end of the strip. Adjacent strips of the heat conductor are then rotated relative to one another about a geometric axis extending along their longitudinal direction. But there are also other arrangements of heating strips conceivable. Thus, for example, not the strips, but the webs are rotated to each other, the heating element can be arranged bifilar or consist of several individual sections.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Wand auf beiden Seiten eines Streifens des Heizleiters jeweils nur eine Stärke von höchstens 1,5 mm, vorzugsweise höchstens 1,3 mm, besonders bevorzugt nicht mehr als 1,1 mm hat. Derartig dünne Wände lassen sich durch Umspritzen eines aus Blech ausgeschnittenen Heizleiters praktisch nicht flüssigkeitsdicht herstellen. Möchte man einen aus Blech ausgeschnittenen Heizleiter mit Kunststoff umspritzen, muss der Heizleiter in der Spritzgussform wegen seiner geringen mechanischen Stabilität mit eine größeren Anzahl von Stützstempel positioniert werden. Während des Spritzvorgangs können die Stützstempel erst zurückgezogen werden, wenn die Position des Heizleiters durch eingespritzten Kunststoff bereits hinreichend stabilisiert ist. Damit danach eingespritzter Kunststoff die durch die Stützstempel geschaffenen Lücken zuverlässig flüssigkeitsdicht verschließen kann, sind Wandstärken von mehr als 1,5 mm erforderlich. Bei dünneren Wandstärken kann nach dem Zurückzeihen der Stützstempel Kunststoff nicht mehr zuverlässig in die von den Stützstempeln gelassenen Lücken gelangen, sodass das Kunststoffgehäuse des Heizleiters nicht mehr flüssigkeitsdicht ist oder mechanisch geschwächte und somit unzuverlässige Bindenähte entstehen.An advantageous development of the invention provides that the wall has on both sides of a strip of the heating element each only a thickness of at most 1.5 mm, preferably at most 1.3 mm, more preferably not more than 1.1 mm. Such thin walls can be practically not liquid-tight manufacture by molding a heat conductor cut out of sheet metal. Do you want one Due to its low mechanical stability, the heat conductor in the injection mold must be positioned with a larger number of support punches. During the injection process, the support punches can be withdrawn only when the position of the heating element is already sufficiently stabilized by injected plastic. In order that subsequently injected plastic can reliably close the gaps created by the support punches in a liquid-tight manner, wall thicknesses of more than 1.5 mm are required. With thinner wall thicknesses after retracting the support stamp plastic can no longer reliably reach the left of the support stamps gaps, so that the plastic housing of the heat conductor is no longer liquid-tight or mechanically weakened and thus unreliable weld lines arise.
Mit einem erfindungsgemäßen Verfahren gemäß Anspruch 10 lassen sich sogar Filterheizungen mit einem Kunststoffgehäuse realisieren, dessen Wandstärke weniger als 1 mm beträgt. Dazu wird das Gehäuse zunächst separat ohne den aus Blech ausgeschnittenen Heizleiter hergestellt. Erfindungsgemäß wird durch Spritzgießen ein Kunststoffgehäuse mit einer doppelwandigen Wand, vorzugsweise einer doppelwandigen Ringwand, hergestellt und der Heizleiter erst später in dem Kunststoffgehäuse angeordnet. Beispielsweise kann eine Spritzgussform einen Kern aufweisen, um den herum die doppelwandige Wand gespritzt wird. Ein solcher Kern ist starrer als ein Blechstreifen und kann eine größere Stärke als ein aus Blech ausgeschnittener Heizleiter haben, sodass er nicht durch Stempel gestützt werden muss. Zudem ist die mechanische Stabilität des Heizleiters durch seine mäanderartige Form zusätzlich geschwächt, was bei dem Kern der Spritzgussform nicht der Fall ist. Wenn auf diese Weise ein Kunststoffgehäuse hergestellt wird, kann der Heizleiter dann in die doppelwandige Ringwand des Kunststoffgehäuses eingeschoben werden.With a method according to the invention according to claim 10 even filter heaters can be realized with a plastic housing whose wall thickness is less than 1 mm. For this purpose, the housing is first produced separately without the heat conductor cut out of sheet metal. In accordance with the invention, a plastic housing with a double-walled wall, preferably a double-walled annular wall, is produced by injection molding and the heating conductor is arranged later in the plastic housing. For example, an injection mold may have a core around which the double-walled wall is injected. Such a core is more rigid than a sheet metal strip and may have a greater strength than a heat conductor cut out of sheet metal, so that it does not have to be supported by punches. In addition, the mechanical stability of the heating element is additionally weakened by its meandering shape, which is not the case with the core of the injection mold. If a plastic housing is produced in this way, the heating conductor can then be inserted into the double-walled annular wall of the plastic housing.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die innere und die äußere Wand des Kunststoffgehäuses separat durch Spritzgießen herzustellen und den Heizleiter dann in dem Kunststoffgehäuse anzuordnen, indem die beiden Wände unter Zwischenlage des Heizleiters zusammengefügt und miteinander verschweißt werden.Another possibility is to produce the inner and the outer wall of the plastic housing separately by injection molding and then to arrange the heating element in the plastic housing by joining the two walls with the interposition of the heating element and welded together.
Wenn das Kunststoffgehäuse separat hergestellt wird, muss dieses flüssigkeitsdicht verschlossen werden, nachdem der Heizleiter in dem Kunststoffgehäuse angeordnet wurde. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Kunststoffgehäuse durch Schweißen flüssigkeitsdicht verschlossen. Wenn das Kunststoffgehäuse durch Spritzgießen mit einer doppelwandigen Wand hergestellt und der Heizleiter in die Wand eingeschoben wurde, kann dazu auf die offene Stirnseite der Wand ein passend zur Wand gebogenen Streifen, beispielsweise ein U- oder C-förmig gebogener Streifen bzw. im Fall einer Ringwand ein Ring, aufgesetzt und dieser mit der Wand verschweißt werden.If the plastic housing is manufactured separately, it must be sealed liquid-tight after the heating element has been placed in the plastic housing. In the method according to the invention, the plastic housing is sealed liquid-tight by welding. If the plastic housing was produced by injection molding with a double-walled wall and the heating element was inserted into the wall, can on the open end of the wall a wall curved strip, for example, a U- or C-shaped bent strip or in the case of an annular wall a ring, put on and this welded to the wall.
Als Material für die Wand einer erfindungsgemäßen Filterheizung wird bevorzugt Polyethylen verwendet. Bei herkömmlichen Filtergehäusen wird wegen der geringeren thermischen Ausdehnung und besseren Wärmeleitfähigkeit Polyphenylensulfid oder Polyphtalamid verwendet. Polyethylen hat eine sehr hohe thermische Ausdehnung, die etwa das Achtfache der thermischen Ausdehnung von Stahl beträgt. Eine hohe thermische Ausdehnung des Kunststoffgehäuses einer Filterheizung führt bei herkömmlich hergestellten Filterheizungen dazu, dass beim Abkühlen nach dem Umspitzen des Heizleiters hohe mechanische Spannungen auftreten, die zu einem Ablösen des Gehäuses von dem Heizleiter oder sogar zu Spannungsrissen führen können. Wenn das Gehäuse einer Filterheizung zunächst ohne den Heizleiter hergestellt und der Heizleiter später in das Gehäuse eingebracht wird, ist der hohe thermische Ausdehnungskoeffizient von Polyethylen jedoch kein gravierendes Problem. Bei einem dünnwandigen Gehäuse ist auch die relativ schlechte Wärmeleitung von Polyethylen weitgehend unbedeutend. Polyethylen hat den Vorteil einer sehr guten Diffusionsdichte gegen Harnstofflösung sowie einer guten Verschweißbarkeit.As the material for the wall of a filter heating according to the invention preferably polyethylene is used. In conventional filter housings, polyphenylene sulfide or polyphthalamide is used because of the lower thermal expansion and better thermal conductivity. Polyethylene has a very high thermal expansion, which is about eight times the thermal expansion of steel. A high thermal expansion of the plastic housing of a filter heater leads to conventionally produced filter heaters to the fact that when cooling after Umvoritzen the heat conductor high mechanical stresses occur, which can lead to a detachment of the housing of the heating element or even stress cracks. However, if the housing of a filter heater is initially made without the heating conductor and the heating conductor is later inserted into the housing, the high thermal expansion coefficient of polyethylene is not a serious problem. In a thin-walled housing and the relatively poor heat conduction of polyethylene is largely insignificant. Polyethylene has the advantage of a very good diffusion density against urea solution as well as good weldability.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass ein von der Wand umgebener Filtereinsatz und/oder die Wand Vorsprünge aufweisen, die eine Wärmebrücke von der Wand zu dem Filtereinsatz bilden. Diese Vorsprünge sind bevorzugt länglich und können in axialer Richtung die Wand verlaufen. Wenn die Wand gewellt ist, können die Vorsprünge beispielsweise parallel zu den Wellen der gewellten Wand verlaufen, etwa als Rippen oder Stege. Insbesondere können Wellenkämme der gewellten Wand als Vorsprünge an dem Filtereinsatz anliegen.A further advantageous development of the invention provides that a filter insert surrounded by the wall and / or the wall have projections which form a thermal bridge from the wall to the filter insert. These projections are preferably elongated and can extend in the axial direction of the wall. For example, when the wall is corrugated, the projections may be parallel to the corrugated wall corrugations, such as ribs or ridges. In particular, wave crests of the corrugated wall can abut as projections on the filter insert.
Der Filtereinsatz kann Vorsprünge aufweisen, die an der Wand anliegen oder die Wand kann mit Vorsprüngen, beispielsweise Wellenkämmen an dem Filtereinsatz anliegen. Die Wellenkämme können dabei auf der dem Filtereinsatz zugewandten Seite durch Rippen oder Stege erhöht (d. h. in Richtung senkrecht zur Wand verlängert) sein. Bevorzugt greifen Vorsprünge des Filtereinsatzes und der Wand ineinander, beispielsweise nach Art einer Nut- und Federverbindung.The filter cartridge may have protrusions that bear against the wall or the wall may rest against the filter cartridge with projections, for example wave crests. The wave crests can be increased on the side facing the filter element by ribs or webs (that is, they are elongated in the direction perpendicular to the wall). Preferably engage projections of the filter insert and the wall into each other, for example in the manner of a tongue and groove joint.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden an einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:Further details and advantages of the invention will become an embodiment below Explained with reference to the accompanying drawings. Show it:
In
Der Filtereinsatz
Der Filter kann in einem Tank stehend angeordnet werden. Schmutzpartikel lagern sich am Boden eines Tanks ab und können dort einen Sumpf bilden. Bei einer stehenden Anordnung kann ein solcher Sumpf praktisch nicht zum vorzeitigen Ausfall des Filters führen, da der Filter im Regelfall mit einem oberen Abschnitt aus einem eventuell vorhandenen Sumpf herausragen kann.The filter can be placed standing in a tank. Dirt particles settle to the bottom of a tank and can form a swamp there. In a vertical arrangement, such a sump practically can not lead to premature failure of the filter, since the filter can usually protrude with an upper portion of a possibly existing sump.
Der Filtereinsatz
Der Heizleiter
Der Heizeiter
Denkbar sind jedoch auch andere Arten von Temperaturbegrenzungen oder – sicherungen, z. B. Bimetallschalter.However, it is also conceivable other types of temperature limitations or - fuses, z. B. bimetallic switch.
Das Kunststoffgehäuse der Filterheizung kann beispielweise aus Polyethylen gefertigt sein. Die Ringwand
Der Heizleiter
Das Kunststoffgehäuse der dargestellten Filterheizung wird durch Spritzgießen hergestellt. Dazu kann eine Spritzgussform verwendet werden, die einen Kern bzw. mehrere Kerne aufweist, um den bzw. die die zickzackförmig gewellte doppelwandige Ringwand
Wenn das Kunststoffgehäuse aus der Spitzgussform entnommen ist, wird dann der zickzackförmig gebogene Heizleiter
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind Zwischenwände
Nach dem Einschieben des Heizleiters
Die Ringwand
Die Ringwand
Um die thermische Ankopplung des Filtereinsatzes
Beispielsweise kann jeder radial einwärts gewandte Wellenkamm
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Filterheizungfilter heater
- 22
- Filterfilter
- 2a2a
- KunststoffringPlastic ring
- 2b2 B
- Anschlüsseconnections
- 2c2c
- Vorsprunghead Start
- 33
- Ringwandring wall
- 3a3a
- innere Ringwandinner ring wall
- 3b3b
- äußere Ringwandouter ring wall
- 3c3c
- Zwischenwandpartition
- 3d3d
- Vorsprunghead Start
- 44
- Heizleiterheating conductor
- 4a4a
- Streifenstrip
- 4b4b
- Stegweb
- 55
- PPTCPPTC
- 66
- erster Steckerpinfirst connector pin
- 77
- zweiter Steckerpinsecond connector pin
- 88th
- Ringring
- 99
- Steckergehäuseplug housing
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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