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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einer Heizeinrichtung nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs. Derartige Heizeinrichtungen sind beispielsweise aus der
DE102006061735 bekannt.
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Ein Verfahren, das zur Reduktion von Stickoxiden im Abgas einer Brennkraftmaschine eingesetzt wird, ist eine selektive katalytische Reduktion, bei der unter Einsatz eines Katalysators Ammoniak und die Stickoxide miteinander reagieren und in Wasser und Stickstoff umgewandelt werden. Das hierfür erforderliche Ammoniak entsteht durch chemische Zersetzung einer in den Abgasstrang eindosierten Harnstoff-Wasser-Lösung. Dieses Hilfsmittel wird in einem Behälter im Fahrzeug vorgehalten. Die Harnstoff-Wasser-Lösung kann bei Temperaturen unter –11,5 °C einfrieren. Deshalb muss im Behälter eine Heizung vorgesehen werden, um eine etwaig eingefrorene Harnstoff-Wasser-Lösung aufzutauen. Hierzu werden üblicherweise elektrische Heizungen verwendet, die ohmsche Widerstände bzw. Widerstände mit positivem Temperaturkoeffizienten aufweisen. Eine solche elektrische Widerstandsheizung steht beispielsweise als Kontaktheizung in direktem Kontakt mit dem Hilfsmittel im Behälter und erwärmt dieses über Wärmeleitung und Konvektion. Die elektrische Heizung muß im Behälter eine gewisse Höhe aufweisen; dies bedeutet, daß bei niedrigen Füllständen, aber auch bei Bildung einer Luftkavität um die Heizung herum, Teile der Heizung nicht vom Hilfsmittel, sondern von Luft umgeben sind. Von diesen Teilen kann die erzeugte Wärme nicht mehr so gut abfließen wie bei einer mit dem Hilfsmittel bedeckten Heizung. Dies kann zu einer Überbelastung von Komponenten der Heizung bis hin zum Materialversagen führen. Derartige Überlastungssituationen bzw. lokale Übertemperaturen können durch die Verwendung von Widerständen mit positivem Temperaturkoeffizienten und/oder durch den Einsatz von Temperaturfühlern in Nähe der überhitzungsgefährdeten Teile der Heizung und entsprechender Regelung des elektrischen Heizungsstroms, beispielsweise durch eine geeignet pulsweitenmodulierte Ansteuerung, vermieden werden. Solche Schutzmaßnahmen können aber zu einer an sich unerwünschten verminderten Heizleistung führen. Ferner kosten Temperatursensoren Geld, nehmen Bauraum ein und müssen elektrisch kontaktiert werden. Auch ist die Platzierung der Temperatursensoren kompliziert, denn es muss sichergestellt sein, dass bei allen Füllständen und möglichen Schräglagen kein Heizerteil an Luft liegt, während die Temperatursensoren noch in Flüssigkeit liegen. Denn dann zeigen die Sensoren eine niedrigere Temperatur an als die, die der an Luft liegende Teil des Heizers hat, und die an sich geforderte Leistungsabregelung wird nicht aktiv.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Heizeinrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat demgegenüber den Vorteil eines einfachen, bauraumsparenden Überhitzungsschutzes bei gleichzeitig optimierter Heizleistung. Darüber hinaus ergibt sich die Möglichkeit der Erfassung eines heizeinrichtungsinternen Temperaturgradienten.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Heizeinrichtung möglich. Besonders vorteilhaft ist hierbei das Vorsehen eines Mittels zur Erfassung einer Thermospannung, die ein Maß für unterschiedliche Temperaturen innerhalb der Heizeinrichtung ist und die in eine optimierte Regelung eines elektrischen Heizstroms einfließen kann.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen
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1 einen Behälter zur Bevorratung einer gefrierfähigen Flüssigkeit mit einer Heizeinrichtung,
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2 eine in einem Behälter gemäß 1 verwendbare Heizeinrichtung und
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3 eine weitere solche Heizeinrichtung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt einen Behälter 2 zur Bevorratung einer gefrierfähigen Flüssigkeit 3, insbesondere einer wässrigen Harnstofflösung, mit einer Heizeinrichtung 1 zur Erwärmung bzw. zum Auftauen etwaig teilweise oder vollständig gefrorener Flüssigkeit. Die Heizeinrichtung ist hierbei in einem unteren Bereich eines Schwapptopfs 5 des Behälters angeordnet, wobei der Schwapptopf in nicht näher dargestellter, an sich bekannter Weise mit dem Behälter Flüssigkeit austauschen und eine bis in seinen unteren Bereich ragende Sauglanze tragen kann, mittels der die Flüssigkeit aus dem Behälter herausgepumpt werden kann. Die Heizeinrichtung weist eine von Null verschiedene Höhe über dem Behälterboden 6 auf, so daß ihre höchstgelegene Stelle 8 beispielsweise bei einem in 1 dargestellten Füllstand 7 des Behälters aus der Flüssigkeit herausragt, also von der in dem Behälter befindlichen Luft umgeben ist.
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Alternativ kann die Heizeinrichtung 1 statt mittels eines Schwapptopfs auch vom Behälterboden 6 getragen werden. Dabei können Stützelemente vorgesehen sein, die zwischen der Heizeinrichtung und dem Behälterboden angeordnet sind.
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In einer weiteren alternativen Anordnung kann die Heizeinrichtung auch von einer Tankeinbaueinheit getragen sein, die über eine Aussparung von unten im Behälterboden eingebracht worden ist und nachfolgend den Behälterboden flüssigkeitsdicht abdichtet. Eine derartige Tankeinbaueinheit kann neben der Stützfunktion für die in das Behälterinnere ragende Heizeinrichtung weitere Funktionalitäten bereitstellen, wie beispielsweise eine Pumpfunktion mit Anschluß einer Absaugleitung heraus aus dem Tank nach unten und/oder das Tragen von Meßelementen wie zum Beispiel eines nach oben in das Behälterinnere ragenden Füllstandssensors.
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In 2 ist eine Heizeinrichtung 1 des Behälters 2 näher dargestellt. Sie enthält ein mit einem elektrischen Heizstrom über elektrische Anschlüsse 12 und 13 beaufschlagbares Heizelement 10. Das Heizelement enthält eine Reihenschaltung mehrerer Thermoelemente 15a, 15b, 15c und 15d. Jedes Thermoelement ist aus zwei verschiedenen elektrischen, metallischen Leitern 17a, 17b, 17c und 17d bzw. 18a, 18b, 18c und 18d aufgebaut, welche jeweils über Verbindungsbereiche 16a, 16b, 16c und 16d elektrisch miteinander verbunden sind. Die Thermoelemente sind alle gleich orientiert miteinander verbunden, d.h. die Leiter 18a, 18b etc. sind stets mit den Leitern 17b, 17c etc. des nachfolgenden Thermoelements verbunden.
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Die Erfindung beruht darauf, dass bei in geeigneter Richtung angelegtem Heizstrom neben der an sich bekannten Heizwirkung eines stromdurchflossenen ohmschen Widerstands aufgrund des an sich bekannten Peltier-Effekts ein zusätzlicher Wärmetransport, in 2 symbolisch mit dem Pfeil 19 dargestellt, von oben nach unten in der Heizeinrichtung stattfindet, so dass etwaig an Luft liegende Teile 8 der Heizeinrichtung 1 nicht mehr zu heiß werden, somit länger bei voller Leistung geheizt werden kann, mehr Flüssigkeit aufgetaut und zum Absaugen über die Sauglanze bereitgestellt werden kann. Dazu hat die elektrische Heizeinrichtung das Heizelement 10, das die beschriebene Reihenschaltung elektrischer Leiter 17a, 18a, 17b, 18b, 17c, 18c, 17d, 18d aus unterschiedlichen Metallen aufweist. Dabei bestehen die Leiter 17a bis d aus Nickel und die Leiter 18a bis d aus einer Nickel-Chrom-Legierung, wobei der Nickel-Anteil 80 Prozent und der Chromanteil 20 Prozent beträgt. Wird nun diese Kombination von Leitern in der richtigen Richtung mit Strom durchflossen, d.h. liegt der Pluspol der angelegten elektrischen Spannung am unedleren Metall, d.h. an Nickel, erwärmt sich das Heizelement nicht nur bestimmungsgemäß, sondern darüber hinaus werden die oben angeordneten Verbindungsbereiche 16a bis d weniger warm bzw. kälter als die unten angeordneten Reihenschaltungspunkte 14a, 14b und 14c, an denen die Thermoelemente 15a bis d miteinander in Reihe geschaltet sind. Eine spiegelverkehrte Anordnung mit unten angeordneten Verbindungsbereichen 16a etc. und oben angeordneten Reihenschaltungspunkten 14a etc. ist ebenso möglich; in diesem Fall muß der Heizstrom in entgegengesetzter Richtung fließen, um im oberen Bereich der Heizeinrichtung eine niedrigere Temperatur zu erzielen als im unteren Bereich der Heizeinrichtung. Dieser den oberen Bereich der Heizeinrichtung bei niedrigen Tankständen vor Überhitzung schützende Effekt verstärkt sich wiederum aufgrund des Peltier-Effekts, wenn der untere Bereich der Heizeinrichtung gekühlt wird, wie es durch die wässrige und gegebenenfalls mit Eisbrocken versetzte Harnstofflösung, in die die Heizeinrichtung eingetaucht ist, der Fall ist. Wesentlich sind jedenfalls die richtige Kombination von elektrischen Leitungen bzw. Drähten, deren Hintereinanderschaltung und die richtige Polarität des angelegten elektrischen Heizstroms.
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Alternativ können auch andere Materialpaarungen zur Bereitstellung geeigneter Thermoelemente verwendet werden.
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3 zeigt die Heizeinrichtung gemäß 2, ergänzt um mindestens einen weiteren elektrischen Abgriff 20 und/oder 21 neben den bereits erwähnten elektrischen Anschlüssen 12 und 13. Es ist ein Mittel 23 zur Erfassung einer Thermospannung vorgesehen, das im vorliegenden Ausführungsbeispiel zwischen dem elektrischen Anschluß 12 und dem elektrischen Abgriff 20 geschaltet ist. Die Heizeinrichtung besteht aus einer Reihenschaltung vieler Thermoelemente. Wird der Heizstrom abgestellt, kann eine aufgrund des an sich bekannten Seebeck-Effekts sich einstellende Thermospannung mit dem beispielsweise als Spannungsmessgerät ausgestalteten Mittel 23 gemessen werden, je nach verwendetem bzw. eingerichteten Abgriff an einer unterschiedlichen Zahl von Thermoelementen. Die gemessene Thermospannung ist dabei an Maß für die Temperaturdifferenz zwischen oberem und unterem Bereich der Heizeinrichtung bzw. zwischen den Verbindungsbereichen 16a etc. und den Reihenschaltungspunkten 14a etc. Liegen Teile der oberen Seite der Heizeinrichtung an Luft und die untere Seite in der kalten Flüssigkeit, können sich Temperaturdifferenzen von bis zu 60 Grad Celsius einstellen. Die gemessene Thermospannung kann für die Regelung des elektrischen Heizstroms eingesetzt werden, in der bei Überschreitung einer vorbestimmten Temperaturdifferenz bzw. eines Schwellenwerts der Thermospannung eine Zeitlang gewartet wird, bis der Heizstrom erneut eingeschaltet wird, beispielsweise so lange gewartet wird, bis die Thermospannung einen bestimmten Wert unterhalb des Schwellenwerts wieder unterschritten hat.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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