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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einer Heizeinrichtung nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs.
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Es ist schon eine Heizeinrichtung aus der
EP2652275 bekannt, bei der ein Aluminiumköper vorgesehen ist, der über keramische PTC-Heizelemente elektrisch erwärmt wird. Der Aluminiumkörper weist eine verzweigte Form auf, und zum Korrosionsschutz ist die Heizeinrichtung mit einer Kunststoffschicht ummantelt. Diese zu einem Tankeinbaumodul bzw. Fördermodul gehörende Baugruppe ist oberhalb eines Filterlements des Tankeinbaumoduls angeordnet. Im Falle der Verwendung des zugeordneten Tanks als Behältnis für ein Reduktionsmittel zur selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden einer Brennkraftmaschine speziell in der Form einer wässrigen Harnstofflösung („AdBlue“) liegt bei tiefen Außentemperaturen unterhalb von - 11 Grad Celsius die Situation vor, daß die wässrige Harnstofflösung einfrieren kann. In diesem Fall erwärmt die Heizeinrichtung das angrenzende gefrorene AdBlue und taut dieses auf, so dass ein Herauspumpen der Flüssigkeit wieder möglich ist bzw. möglich bleibt.
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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 einer optimierten Geometrie zum kontinuierlichen Auftauen einer gefrierfähigen Flüssigkeit, wie beispielsweise einer wässrigen Harnstofflösung, auch „AdBlue“ genannt, innerhalb eines Flüssigkeitstanks, und es wird ein verbesserter Wärmeübertrag auf die zu erwärmende bzw. aufzutauende Flüssigkeit gewährleistet. Als weiterer Vorteil ist anzusehen, daß insbesondere ein durch einen Heizkörper der Heizeinrichtung abgegrenzter Teilbereich des Flüssigkeitsvolumens eines Flüssigkeitstanks rasch aufgewärmt werden kann. Die Heizeinrichtung weist in vorteilhafter Weise eine volumenhafte Ausdehnung innerhalb des Tanks auf, mittels der vermieden werden kann, daß sich beim Auftauen und Absaugen einer bereits vorhandenen flüssigen Phase der Flüssigkeit im Tank Kavitäten ausbilden können, die thermisch isolierend wirken und eventuell ein weiteres Auftauen verlangsamen bzw. verhindern.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Heizeinrichtung möglich.
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Besonders vorteilhaft ist hierbei das Vorsehen einer Bodenwand, insbesondere einer Bodenwand mit Durchlassöffnungen, so daß auch filternahe Bereiche eines Tankeinbaumoduls rasch aufgetaut werden können. Durchlassöffnungen gewährleisten hierbei gleichzeitig einen raschen Flüssigkeitsaustausch auch in diesem Bereich des Tankeinbaumoduls bzw. Flüssigkeitstanks.
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Besonders vorteilhaft ist hierbei eine Querschnittsvariation des Heizkörpers dergestalt, daß durch die Form des Heizkörpers und eine teilweise Abgeschlossenheit die Flüssigkeit in einem Teilbereich des Flüssigkeitsvolumens des Tanks in einer speziellen Form einfriert, so daß diese über die Heizeinrichtung schnell und kontinuierlich aufgetaut werden kann.
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Des Weiteren ist es insbesondere vorteilhaft, eine konusartige bzw. kegelförmige Ausgestaltung des Heizkörpers vorzusehen, so daß ein innenliegender Eisblock schwerkraftgetrieben kontinuierlich in Richtung einer offenen Bodenseite des Heizkörpers fließt und damit ein kontinuierlicher Aufschmelzprozess unter Beibehaltung des Wandkontakts mit dem Heizkörper aufrecht erhalten wird. Der Eisblock bzw. der aufzutauende Stoff bleibt in vorteilhafter Weise beweglich und in direktem bzw. physischem Kontakt mit dem Heizkörper, bis er verflüssigt ist.
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Weitere Vorteile ergeben sich durch die in den weiteren abhängigen Ansprüchen und in der Beschreibung genannten Merkmale.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
- 1 einen Flüssigkeitstank mit einem Fördermodul mit einer Heizeinrichtung,
- 2 den Flüssigkeitstank mit eingeschalteter Heizeinrichtung,
- 3 den Flüssigkeitstank mit länger eingeschalteter Heizeinrichtung,
- 4 einen Heizkörper,
- 5 eine Detailansicht eines Heizkörpers,
- 6 eine Detailansicht eines weiteren Heizkörpers,
- 7 einen weiteren Heizkörper,
- 8 einen Heizkörper mit nierenförmigem Querschnitt,
- 9 einen Heizkörper mit zwei Furchen in Draufsicht,
- 10 einen Heizkörper mit einer Bodenwand,
- 11 einen Heizkörper mit einer Bodenwand und einer Deckenwand,
- 12 einen Heizkörper mit einer Deckenwand mit Öffnung,
- 13 einen Heizkörper in W-Form und
- 14 einen Heizkörper mit flachem Aufsitzbereich.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt einen Flüssigkeitstank 1 in Querschnittsseitenansicht, in dem sich eine gefrorene wässrige Harnstofflösung 2 befindet.
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Im Bodenbereich 40 des Tanks ist ein Fördermodul bzw. Tankeinbaumodul 13 angeordnet, über das eine sich im Tank befindliche Flüssigkeit abgepumpt und ihrem Bestimmungszweck, beispielsweise einer Nachbehandlung von Abgasen einer Brennkraftmaschine, zugeführt werden kann. Das Herausführen einer flüssigen Phase der wässrigen Harnstofflösung aus dem Tank erfolgt durch den Modulboden 15 des Tankeinbaumoduls hindurch in nicht näher dargestellter Weise über eine hierfür vorgesehene Leitungsdurchführung durch den Modulboden nach unten. Das Tankeinbaumodul 13 weist zum Herausführen der flüssigen Phase eine Förderpumpe 9 auf, welche über eine Filtereinrichtung 14 die Flüssigkeit ansaugt und durch den Modulboden hindurch nach außen abgibt. Bevor die Flüssigkeit die Filtereinrichtung 14 passieren kann, durchströmt sie ein wärmeleitendes Bauteil 8, hier in Form eines Metallsiebs. Das Metallsieb leitet von einer oberhalb der Filtereinrichtung angeordneten Heizeinrichtung 16 erzeugbare Wärme gut an die Filtereinrichtung weiter.
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Die Heizeinrichtung 16 weist einen Heizkörper 3 in Form eines Kegelheizers auf. Der Heizkörper besitzt also die Form eines auf den Kopf gestellten Gefäßes für eine Flüssigkeit, das eine konische Form aufweist, wobei der Heizkörper auf Höhe des Gefäßbodens, der im Tank oben, also dem Flüssigkeitsspiegel 18 zugewandt, angeordnet ist, eine größere Querschnittsfläche aufweist als im unteren, offenen Bereich, der vom Flüssigkeitsspiegel 18 abgewandt angeordnet ist. Der Heizkörper besitzt Einlassbohrungen 5 in der Seitenwand bzw. der lateralen Wand 19, die den vom Kegelheizer umgebenen Teilbereich 17 des Flüssigkeitsvolumens im Tank mit dem restlichen Bereich des Flüssigkeitsvolumens fluidtechnisch verbinden. Der Heizkörper ist aus einem gut wärmeleitendem Material gefertigt und wird mittels elektrischer Heizelemente 6 der Heizeinrichtung 16 beheizt. Die Heizelemente 6 können als PTC-Elemente oder, wie dargestellt, als im unteren Bereich angeordnete Glühstiftkerzen 6 ausgebildet sein. Die elektrische Kontaktierung der Glühstiftkerzen kann jeweils über Anschlußkabel 7 für den Pluskontakt und über das elektrisch leitend mit dem Heizkörper 3 verbundene Metallsieb 8 für den Minuskontakt 10 erfolgen. Kabel 7 und Minuskontakt 10 sind lediglich schematisch dargestellt und werden in nicht näher dargestellter Weise über den Modulboden 15 zum Anschluß einer Stromversorgung bzw. einer Ansteuerung oder Regeleinheit nach außen geführt.
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In 1 ist eine Situation gezeigt, in der die gesamte Flüssigkeit 2 innerhalb des Tanks 1 gefroren ist. In dieser Situation kann das Fördermodul 13 keine Flüssigkeit aus dem Tank herausfördern. Eine Teilmenge an wässriger Harnstofflösung ist innerhalb des Kegelheizers 3 gefroren. Auf mittlerer Höhe des Kegelheizers ist dieser Teilbereich 17 des Flüssigkeitsvolumens nur über die Einlassbohrungen 5 des Kegelheizers mit der Hauptmenge des AdBlue 2 im Tank fluidtechnisch verbunden, wobei die wässrige Harnstofflösung in den Einlassbohrungen Eisbrücken bildet. Im oberen Bereich des Kegelheizers liegt in der illustrierten Situation ein Lufteinschluss 4 vor.
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Wird nun die Heizeinrichtung 16 eingeschaltet, so wird die gefrorene Flüssigkeit erwärmt und schließlich aufgetaut. In 2 ist gezeigt, wie der Teilbereich des Flüssigkeitsvolumens, der sich innerhalb des Kegelheizers befindet, bereits etwas zusammengesackt, weil etwas angeschmolzen, ist. Entsprechend nimmt der Lufteinschluss 4 bereits ein etwas größeres Volumen im Tank ein als noch in der Situation, wie sie in 1 dargestellt ist.
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Die notwendige Heizleistung zum Auftauen des AdBlue wird beispielsweise von einer oder mehreren Glühstiftkerzen 6 zur Verfügung gestellt. Diese haben keinen direkten Kontakt zum AdBlue, da sie im vorliegenden Ausführungsbeispiel allseitig vom Heizkörper 3 umgeben sind. Die Glühstiftkerzen heizen den Kegelheizkörper 3 von unten nach oben auf, ferner heizen sie das Metallsieb auf der Unterseite des Heizkörpers 3 auf. Der heizende Behälter bzw. der Heizkörper bzw. der Kegelheizer steht vorteilhafterweise, aber nicht notwendigerweise, nur durch ein wärmeleitendes Bauteil 8, zum Beispiel das Metallsieb, von der Filtereinrichtung getrennt, auf der Filtereinrichtung, wobei die geschlossene grossflächige Stirnseite oben und die offene kleine Stirnseite unten angeordnet ist.
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Das mit dem Heizkörper bzw. dem Metallsieb in Kontakt stehende AdBlue wird auftauen. Das Metallsieb heizt ferner die Filtereinrichtung 14 des Fördermoduls auf. Der Kegelheizer taut insbesondere die Kontaktflächen des innen liegenden AdBlue-Konus auf. Das flüssige AdBlue wird nach unten und durch das Metallsieb 8 zur Filtereinrichtung fließen, über die die Förderpumpe das flüssige AdBlue absaugen kann. Beim Auftauen wird das kegelförmige AdBlue des Teilbereichs des Flüssigkeitsvolumens im Tank im Inneren des Kegelheizers kontinuierlich nach unten rutschen und dadurch im physischen Kontakt mit den beheizten Flächen bleiben. Der Lufthohlraum 4 vergrößert sich dabei. Außerdem werden die AdBlue-Brücken in den Einlassbohrungen durch die Wärme der Kegelflächen aufgetaut.
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Im weiteren Verlauf der Beheizung taut die wässrige Harnstofflösung weiter auf, wie in 3 dargestellt. Der innere AdBlue-Konus geht in den flüssigen Aggregatzustand 12 über und bleibt in physischem Kontakt mit dem Kegelheizer 3. Auch ein Teil des außenliegenden AdBlue wird nun verflüssigt, aber durch die Kegelform auch in physischem Kontakt mit dem Heizer bleiben. Hierbei vergrößert sich der außenliegende Hohlraum 11, insbesondere auch in einem Bereich zwischen dem Kegelheizer und dem Flüssigkeits- bzw. Eisspiegel. Metallsieb bzw. wärmeleitendes Bauteil 8 und der Heizkörper 3 sind so ausgestaltet, daß im Bereich des Metallsiebs beide Hohlräume, d.h. außenliegender Hohlraum 11 und innenliegender Hohlraum, miteinander fluidtechnisch verbunden bleiben, so daß sich die aufgetaute Flüssigkeit 12 gleichmäßig verteilen kann. Das flüssige AdBlue steht ferner in physischem Kontakt zum gefrorenen AdBlue und ermöglichst somit einen Wärmeübergang für ein weiter fortschreitendes Auftauen.
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4 zeigt den Heizkörper 3 in Form eines Kegelheizers, der Bestandteil einer Heizeinrichtung 16 ist. Nicht dargestellt sind die weiteren Bestandteile der Heizeinrichtung wie insbesondere die Heizelemente 6, die als Glühstiftkerzen ausgeführt sein können. Die Grundgeometrie eines Kegels wird durch zwei konisch geformte Metallbleche gebildet, die ineinandergeschoben sind und im so gebildeten Zwischenraum zwischen den Metallblechen Platz bieten zur Anordnung mindestens eines Heizelements 6. Die Metallbleche sind zumindest auf den Seiten, auf denen sie mit der zu beheizenden Flüssigkeit in Kontakt stehen, mit einer nicht näher dargestellten Kunststoffschicht bedeckt, um sie vor Korrosion zu schützen. Die Kreisringstirnflächen zwischen den beiden Metallblechen sind vorzugsweise oben wie unten verschlossen. Während die auf dem wärmeleitenden Bauteil 8 aufsitzende Unterseite 26 offen ist, ist die Oberseite 20 mit einem weiteren, nicht näher dargestellten, vorzugsweise zum Zweck des Korrosionsschutzes ebenfalls mit Kunststoff ummantelten Metallblech verschlossen. Die Einlassbohrungen 22 wurden bereits zusammen mit den 1 bis 3 erläutert, dort sind sie mit Bezugszeichen 5 versehen. Nahe der Unterseite 26 ist der Kegelheizer ebenfalls mit Verbindungsbohrungen 24 versehen, insbesondere um im Bereich des Metallsiebs bzw. des wärmeleitenden Bauteils 8 einen Flüssigkeitsaustausch zwischen außenliegendem Hohlraum 11 und innenliegendem kegelförmigem Hohlraum zu gewährleisten.
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5 zeigt ein Detail eines Kegelheizers 3 bzw. Heizkörpers, bei dem Heizelemente 6 - hier beispielsweise in Form von Glühstiftkerzen - im Bereich der Unterseite 26 innerhalb des Heizkörpers angeordnet sind, wobei deren elektrische Kontaktierungen aus dem Heizkörper herausführen. Diese sind hierbei in einer Doppelwand des Kegelheizers integriert. Vorgesehene Bohrungen für den Flüssigkeitsaustausch sind hier nicht näher dargestellt, können aber fallweise auch weggelassen werden.
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6 zeigt eine alternative Anordnung von Heizelementen bzw. Glühstiftkerzen 6, die an der Innenseite 310 der Kegelfläche anliegen und daher wie der Heizkörper 300 selbst mit Kunststoff ummantelt sind, um vor korrosiven Einflüssen wie beispielsweise der korrosiven Wirkung der wässrigen Harnstofflösung AdBlue geschützt zu sein. In diesem Fall braucht der Kegelheizer nicht doppelwandig ausgeführt zu sein. Vorgesehene Bohrungen sind hier ebenfalls nicht näher dargestellt, können aber fallweise auch weggelassen werden.
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7 zeigt einen weiteren alternativen Heizkörper 330, der zwei voneinander isolierte Metallblech-Kegel 32 bzw. 34 mit dazwischen eingesetzten PTC-Elementen 28 aufweist. Innenkegel 34 und Außenkegel 32 sind gegeneinander elektrisch isoliert, so dass die keramischen PTC-Elemente 28 über die mit elektrischen Anschlüssen 36 bzw. 38 versehenen Kegel elektrisch bestromt werden können. Ein Plastikmantel 30 umhüllt hierbei den gesamten Heizkörper. Vorgesehene Bohrungen zur fluidtechnischen Verbindung von Innen- und Außenbereich des Kegels sind hier ebenfalls nicht näher dargestellt, können aber fallweise auch weggelassen werden.
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8 zeigt einen trichterförmigen Heizkörper 83 mit nierenförmigem Querschnitt 84. Die laterale Wand 85 ist hierbei in ihrer Ausformung an eine darunter angeordnete Filtereinrichtung angepaßt, so daß der vom Heizkörper umfaßte Teilbereich des Tankvolumens im Wesentlichen vollständig eine im horizontalen Querschnitt nierenförmige Filtereinrichtung bedeckt.
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9a zeigt in vertikaler Draufsicht einen kegelförmigen Heizkörper 93 mit Furchen 94 in der lateralen Wand als Sitz für ein Heizelement, insbesondere eine Glühstiftkerze, um die Kontaktfläche zwischen Heizelement und lateraler Wand zu vergrößern. 9b zeigt in einer Detailansicht die beispielhafte Ausformung 940 einer solchen Furche ebenfalls in vertikaler Draufsicht.
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10 beschreibt einen auf der dem Flüssigkeitsspiegel zugewandten Seite offenen Heizkörper 103, der ebenfalls konisch geformt ist. Die Heizelemente bzw. Glühstiftkerzen 66 sind wie bei dem Heizkörper gemäß 6 angeordnet. Der Heizkörper 103 weist auf der dem Flüssigkeitsspiegel abgewandten Seite eine Bodenwand 105 mit Durchlassöffnungen auf. Die Bodenwand ist mit der lateralen Wand 85 fest verbunden, vorzugsweise in Form einer einstückigen Verbindung.
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11 zeigt einen Heizkörper 113, der ebenfalls konisch geformt ist, jedoch im Unterschied zum Heizkörper gemäß 10 oben geschlossen ist, indem er einen Deckenwand 115 besitzt, welche den Heizkörper auf der dem Flüssigkeitsspiegel zugewandten Seite abschließt.
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12 zeigt einen Heizkörper 123, der ebenfalls konisch geformt ist, jedoch im Unterschied zum Heizkörper gemäß 11 eine Deckenwand 125 mit mindestens einer Durchlaßöffnung 125 aufweist.
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13 zeigt einen weiteren konisch geformten Heizkörper 133, der wahlweise oben offen ist. Seine Bodenwand 135 weist eine in den Teilbereich des Flüssigkeitsvolumens hineinragende Einbuchtung für das mindestens eine Heizelement 66 auf, so daß das Heizelement einerseits über eine große Fläche mit der Bodenwand in wärmeübertragendem Kontakt steht und so daß andererseits eine nach unten hin platzsparende Anordnung des Heizelements 66 erfolgen kann. Des Weiteren weist die Bodenwand und/oder ein unmittelbar der Bodenwand benachbarter Bereich der lateralen Wand Durchlaßöffnungen für die zu beheizende Flüssigkeit auf. Der Heizkörper besitzt im Übergang von der lateralen Wand 85 zur Bodenwand 135 eine ringförmige Spitzkante 136.
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14 zeigt einen weiteren konisch geformten Heizkörper 143, der ebenfalls eine Bodenwand 145 aufweist mit einer Einbuchtung für das mindestens eine Heizelement 66. Auch Durchlaßöffnungen sind wie beim Heizkörper gemäß 13 vorgesehen. Im Unterschied zum Heizkörper 133 besitzt der Heizkörper 143 im Bereich der Bodenwand einen flachen bzw. parallel zum Flüssigkeitsspiegel orientierten Aufsitzbereich 147.
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Einlaßöffnungen bzw. Einlaßbohrungen bzw. Durchlaßöffnungen sind bei allen Anordnungen sowohl in der lateralen Wand als auch in einer Deckenwand als auch in der Bodenwand einzeln oder mehrfach vorsehbar, das heißt insbesondere auch zum Beispiel in der lateralen Wand und gleichzeitig in der Bodenwand.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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