JP5934105B2 - 自動制御型加熱素子を備える容器及びタンク - Google Patents

Description

本発明は、タンク内の多量の流体を保持するための容器であって、容器が、前記タンクの第１部分を加熱するための第１抵抗素子と、前記タンクの第２部分を加熱するための第２抵抗素子と、を備えており、第２抵抗素子が正の温度係数を有する、容器に関する。

Ｓｔａｒｃｋによる特許文献１は、液体輸送システムのための、特に内燃エンジンの触媒コンバータにおける尿素供給システムのための加熱システムを開示する。Ｓｔａｒｃｋによるシステムは、フィルター加熱器(filter heater)及びタンク加熱器(tank heater)を備え、これら双方は抵抗型からなる。フィルター加熱器は、タンク加熱器のＰＴＣ素子へ電流を供給する接続線の一部を加熱することによって形成される。この構造は、フィルター加熱器及びタンク加熱器を２つの直列な抵抗素子として設けており、タンク加熱器はＰＴＣ素子を備え、直列回路に流れる電流の量を制御する。Ｓｔａｒｃｋによるシステムの目的は、フィルター及びタンク双方を十分に加熱することであり、気温が尿素溶液の凍結温度以下であったとしても尿素溶液が液状であることを保証すると同時に、所望の温度に達した時点で加熱器による過熱または不要な電力消費を回避する。公知な回路は、第１加熱器と直列に設置される第２加熱器にＰＴＣ素子を使用することによって所望の効果を達成し、それゆえに、ＰＴＣの温度抵抗特性及び直列回路の性質に基づいて双方の加熱器における電流を制限する。

従来技術の解決法は、タンクの異なる部分、例えばフィルター加熱器及びタンク加熱器などにおいて消費されるそれぞれの電力量を調節することにおいて十分な自由性をもたらさない。

米国特許出願公開第２００９／００７８６９２号明細書

本発明は、第３加熱素子という抵抗器によって表される、構造における追加的な自由度をもたらすことによって、この問題を克服する。

それゆえに、タンク内の多量の流体を保持するための容器が有利に設けられ、前記容器は、前記タンクの第１部分を加熱するための第１抵抗素子と、前記タンクの第２部分を加熱するための第２抵抗素子と、を備え、前記第２抵抗素子は、正の温度係数を有し、前記容器は、前記タンクの前記第２部分を加熱するための第３抵抗素子をさらに備え、前記第２抵抗素子及び前記第１抵抗素子は、並列回路を形成し、前記第３抵抗素子は前記並列回路と直列に接続される。

正の温度係数を有する抵抗加熱素子は、技術的に十分に公知である。用語“ＰＴＣ材料”は、電気抵抗が、温度が増大するとともに実質的に増大する任意の材料を含んで理解される。特に、電気抵抗が−１１℃から＋５０℃の間の温度域にわたって２倍以上増大する材料は、本発明に有利に利用してもよい。ＰＴＣ素子は、金属または非金属素子の複合材料を含んでもよい。また、ＰＴＣ素子は半導体を含んでもよい。

本明細書に示される回路のさらなる利点は、加熱器が、従来技術の解決法によって考えられるように実質的に遮断するのではなく、ＰＴＣ素子が非常に高い抵抗値に達する場合でも抵抗器を選択することによって規定される比率で作動し続けることである。

一実施形態では、第１抵抗素子は容器の外部に設置され、第２抵抗素子及び第３抵抗素子は容器の内部に設置される。特別な実施形態では、第２抵抗素子はタンクの付属品上に設置される。より特別な一実施形態では、付属品はポンプである。

本発明による容器の一実施形態において、第２抵抗素子は、熱可塑性材料によって外側を被覆される。

別の態様によれば、本発明による容器を備える自動車用流体タンクが提供される。一実施形態では、容器は、実質的に自動車用流体タンクの底部に設置される。

さらに別の態様によれば、自動車用流体タンクにおける回路の使用が提供され、この回路は、前記タンクの第１部分を加熱するための第１抵抗素子と、前記タンクの第２部分を加熱するための第２抵抗素子であって、前記第２抵抗素子が正の温度係数を有する、第２抵抗素子と、前記タンクの前記第２部分を加熱するための第３抵抗素子と、を備え、前記第２抵抗素子及び前記第１抵抗素子は並列に接続されており、前記第３抵抗素子は、前記第２抵抗素子及び前記第１抵抗素子と直列に接続される。

本発明の使用の一実施形態では、自動車用流体タンクは、尿素溶液を保持するためのタンクである。

本発明の実施形態における装置及び／または方法のいくつかの実施形態は、単なる一例として、添付の図面を参照しながら説明される。

本発明による加熱素子が使用される、従来技術による可撓性加熱器を備える尿素用容器を示す。 本発明による加熱素子が使用される、出願人の下で同時係属特許出願による加熱素子を備える容器であって本願による加熱素子を用いた容器の一実施形態を示す。 本発明による加熱素子のための電気回路の回路図である。 図３に示されるさまざまな加熱素子の電力消費のダイアグラムである。

図１は、従来技術による尿素タンク及び可撓性加熱手段２を有する容器１を示す。加熱素子２が、自動車用流体タンク、例えば排気量低減システムにおいて使用されるような尿素溶液を保持するためのタンク内において凍結することを回避するために使用される場合、貯蔵及び／または注入システムの機能的付属品１０が、容器１内に有利に設置される。機能的付属品１０は、ポンプ、液位計、温度センサー、性質センサー、圧力センサー、圧力制御器または同様の機器を備えてもよい。容器１は、ベースプレートまたは取付プレートと、任意の形状の周辺部と、を備える。容器内に機能的付属品１０を設置することによって、機能的付属品には、容器内容物が流動性を確保するための十分に高い温度に達するとすぐに、所望の自動車用流体が供給されてもよい。例えば、タンクが共晶混合物の水／尿素溶液を貯蔵することを目的とする場合、容器内容物は、−１１℃、すなわちこのような溶液の融点まで加熱される必要がある。

図２は、本発明による容器の一実施形態を示す。図２に示される容器１０１は、自動車用流体タンク、例えば尿素溶液タンク内にある溶液の一部を加熱するための容器である。容器１０１は、少なくとも１つの抵抗ワイヤー１０２を有する可撓性加熱素子を備え、この抵抗ワイヤー１０２は、電流に応じて熱を生じる。有利には、抵抗ワイヤー１０２は、銅ニッケル合金またはステンレス鋼から形成される。

抵抗ワイヤーは、ワイヤーの長さに沿っていくつかの離れた位置に作用するガイド手段１０３によってガイドされ、部分的に容器の内部に位置し且つ部分的に容器の外部に位置する加熱面を規定する。このように、容器１０１の内部の物質は、流動性を保証する温度まで加熱され、従って、容器１０１の内部に設置される任意の機能的付属品へ液体物質を十分に供給することを保証するが、必要とあれば容器１０１を直接包囲する物質は、すでにあらかじめ加熱され、容器１０１の内部にある物質の量に対する熱を補う。

この実施形態において、ガイド手段１０３はプラスチックの帯体である。別のガイド手段は、プラスチックまたは金属網を含んで考えられる。金属網は、自立し且つ熱伝導を可能にするという利点を有する。導電ワイヤー１０２は、それ自体が金属網の形態であってもよい。

この実施形態では、ガイド手段１０３は、容器の外側にある、結果として生じる加熱面の一部が実質的にクリノリン形状(crinoline-shaped)となるように付けられている。この形状または実質的に円対称である別の形状に関して、抵抗ワイヤー１０２はらせん軌道に沿って曲げられるか、または複数の長さの抵抗ワイヤー１０２は実質的に同心円に設置される。

別の形状は、同様の方法で形成してもよい。従って、作り出される面は、平面や平面を巻き込んだ変形例に限定されず、いくつかの軸に沿う屈曲部を示してもよい。ゆえに、例として球形面が可能である。

加熱面は、固定手段１０４によって容器１０１に取り付けられ、加熱面の位置が使用中に所定位置にあることを保証する。

図３は、本発明による加熱素子の異なる部分の有利な電気的相互接続を示す回路図である。電源Ｐは、当業者に公知な任意の適切な電流源である。素子Ｒ１，Ｒ２及びＲ３は、以下で説明するように加熱素子である。

抵抗器Ｒ１は、第１加熱素子、好ましくは第１長さの抵抗ワイヤー１０２を示し、この抵抗ワイヤー１０２は、容器１０１の外部にあり、すなわち上述のように加熱面の第１部分に含まれる。

素子Ｒ２は、加熱面の第１部分及び第２部分の間の電力分布を制御するための素子である。

抵抗器Ｒ３は、第３加熱素子、好ましくは別の長さの抵抗ワイヤー１０２を示し、この抵抗ワイヤー１０２は容器１０１の内部にあり、すなわち上述のように加熱面の第２部分に含まれる。

理想的なモデルでは、素子Ｒ２は、スイッチとしてみなされるか、または協働してスイッチとして作用する構成要素の適切な組み合わせであり、このスイッチは、閉じると、抵抗器Ｒ１を短絡し、従って加熱面の第１部分によって加熱することを防ぐ。このモデルは、加熱素子が２つの段階、すなわち、スイッチＲ２を閉じた第１段階であって、容器１０１の内部のみが加熱され、加熱されたまたは液状の物質が利用できるかに依存するシステムの迅速な始動を可能にする、第１段階と、スイッチＲ２を開放する第２段階であって、第２段階中に容器１０１の外部の周辺領域も加熱される、第２段階と、に展開されるという利点を明らかにする。

一実施形態において、素子Ｒ２は、容器の内部に設置され、正の温度係数を有する抵抗器である。素子Ｒ２は、上述されるように加熱面の第２部分に含まれる。この実施形態の利点は、上述した段階が自動的に且つ段階的な方法によって生じることである。容器１０１の内部が加熱すると、素子Ｒ２の抵抗値が増大し、従って、抵抗器Ｒ１を通る利用可能な電流を若干増大させる。素子Ｒ２が加熱することは、理想的なスイッチが段階的に開くことに相当する。

また、符号Ｒ２が正の温度係数（ＰＴＣ）を有する抵抗器である図３の回路を使用することは、上述した加熱器以外の別の型の加熱器においても有利である。一般的な方法では、抵抗器Ｒ３は、容器の内部にあり、すなわち必須の付属品、例えばポンプ上にある加熱素子にあり、抵抗器Ｒ１は、容器の外部にある加熱素子を表す。

したがって、タンク内の多量の流体を保持するための容器が有利に提供され、前記容器が、前記タンクの第１部分を加熱するための第１抵抗素子Ｒ１と、前記タンクの第２部分を加熱するための第２抵抗素子Ｒ２と、を備え、前記第２抵抗素子が正の温度係数を有し、前記容器は、前記タンクの前記第２部分を加熱するための第３抵抗素子Ｒ３をさらに備え、前記第２抵抗素子Ｒ２及び前記第１抵抗素子Ｒ１は、並列回路を形成し、前記第３抵抗素子Ｒ３は、前記並列回路と直列に接続される。

例示的な一実施形態では、符号Ｒ３は実質的に１Ωの抵抗器であり、符号Ｒ１は実質的に３Ωの抵抗器であり、符号Ｒ２は初期の低温において１Ωの抵抗値を且つ後の動作温度において３Ωの抵抗値を実質的に有するＰＴＣ素子である。図示されるような回路に自動車に一般的に利用できる１２Ｖの電源を適用することによって、容器は、符号Ｒ３から４７．０Ｗの電力、そして符号Ｒ２から２６．４Ｗの電力、すなわち合計で７３．４Ｗを初期に受ける。動作温度に達すると、容器は、符号Ｒ３から２３．０Ｗ、そして符号Ｒ２から１７．３Ｗ、すなわち合計で４０．３Ｗのみを受ける。タンクの残りの部分は、符号Ｒ１から８．８Ｗの電力を初期に受け、この電力は符号Ｒ２が動作温度に達すると１７．３Ｗに上昇する。

約１００Ｗの総電力を初期に消費するように構成される別の例示的な実施形態において、符号Ｒ１及びＲ３双方は、０．９５Ωの抵抗値を有する。符号Ｒ２は、初期の低温において１．０Ωの抵抗値を且つ後の動作温度において２．８Ωの抵抗値を有するように選択される。１２Ｖの電源を付与すると、容器は、符号Ｒ３から６７．４Ｗの電力、そして符号Ｒ２から１６．８Ｗの電力、すなわち合計で８４．２Ｗを初期に受ける。動作温度に達すると、容器は、符号Ｒ３から４９．９Ｗ、そして符号Ｒ２から９．５Ｗ、すなわち合計で５９．４Ｗのみを受ける。タンクの残りの部分は、符号Ｒ１から１６．８Ｗの電力を初期に受け、この電力は符号Ｒ２が動作温度に達すると２７．６Ｗに上昇する。この電力消費推移は、図４のダイアグラムに示される。このダイアグラムの水平軸は、符号Ｒ２の抵抗値を表す。加熱素子が動作する影響を受けて温度が時間とともに上昇すると、符号Ｒ２が正の温度係数を有するために温度が上昇するとともに符号Ｒ２の抵抗値が増大するので、ダイアグラムの水平軸は、時間軸に相当するように解釈される。しかしながら、正確な時間依存性は、加熱素子が設置される環境の熱的特性に、及び抵抗Ｒ２の実際の温度依存性に依存する。

上記の実施形態では、初期の低温は−１１℃であり、後の動作温度は４０℃から５０℃の間である。本発明による容器のさまざまな加熱素子によって消費される総電力量は、好ましくは、環境状態及びシステムが使用される市場に適用する規制基準に従って選択される。

本発明による容器内のＰＴＣ素子は、好ましくは、容器に含まれる流体から遮蔽される。このために、ＰＴＣ素子は、好ましくは、容器の製造中または製造後に適切な熱可塑性材料によって外側を被覆される。選択された熱可塑性材料は、加熱素子が作動する温度域、好ましくは−４０℃から＋５０℃の間の範囲に耐えることが可能でなければならない。

さらに、ＰＴＣ素子とＰＴＣ素子へ電流を供給するワイヤーとの間の接続部を電気的に絶縁すること及び漏れのないことを保証する必要がある。このような接続部は、適切なエラストマーもしくはポリマー化合物によって作られる収縮チューブまたは機械的圧接コネクタを使用して得られる。

有利には、本発明による容器は、例えば自動車流体タンクなど、好ましくは乗用車のタンクの内部に設けられる。最適な作動のために、容器は、タンクの底部にまたは少なくともタンクの低位置に設置されており、流体の大半は、重力のために、自然に容器にある。可撓性加熱素子の外側部分は、有利には、容器に向かうあらかじめ加熱された流体の供給を保証するように容器の周りに広がる。

加熱面の触手部(tentacle)または抵抗ワイヤーの長さ部は、キャビティまたはタンクの中心から離れた範囲内に延在し、これらの位置に凍結物質が長い間存在することを回避する。

加熱面の触手部または抵抗ワイヤーの長さ部は、タンク内へまたはタンクの外側への流体輸送システムの一部であるパイプ及び導管の内部にまたは周りに同様に延在し、凍結物質によってこれらパイプ及び導管が閉塞されることを阻止する。

一実施形態では、加熱面は、好ましくは傘のように、折り畳み可能に構成されている。この実施形態は、加熱素子が、加熱素子をタンク内に折り畳まれた形態で挿入することと、タンクの内部に配置することと、によってすでにタンク内にある容器と結合されているという利点を有する。

本発明は、いくつかの例示的な実施形態に関して上述した。これらの実施形態は、実例となる目的を意図しており、本発明を限定しない。本発明の保護範囲は、添付の特許請求の範囲によって規定される。

１ 容器、２ 可撓性加熱手段、１０ 機能的付属品、１０１ 容器、１０２ 抵抗ワイヤー、１０３ ガイド手段、１０４ 固定手段、Ｐ 電源、Ｒ１ 第１抵抗素子、Ｒ２ 第２抵抗素子、Ｒ３ 第３抵抗素子

Claims (6)

1. タンク内の多量の流体を保持するための容器であって、
   前記容器は、
   前記タンクの第１部分を加熱するための第１抵抗素子と、
   前記タンクの第２部分を加熱するための第２素子であって、前記第２素子は、正の温度係数を有する、第２素子と、
   前記タンクの前記第２部分を加熱するための第３抵抗素子と、
   を備え、
   前記第２素子及び前記第１抵抗素子は、並列回路を形成し、前記第３抵抗素子は、前記並列回路に直列に接続され、
   加熱の開始に対応する第１時点では、前記第２素子は、前記容器内で第１電力を消費するために第１抵抗を有し、後の第２時点では、前記第２素子は、前記容器内で第２電力を消費するために第２抵抗を有し、前記第２電力が、前記第１電力よりも低く、このため、前記タンク内で消費される電力が、前記第１時点よりも前記第２時点において低く、
   前記第１抵抗素子は、前記容器の外部に設置され、前記第２素子及び前記第３抵抗素子は、前記容器の内部に設置されることを特徴とする容器。
2. 前記第２素子は、前記タンクの付属品上に設置されることを特徴とする請求項１に記載の容器。
3. 前記付属品は、ポンプであることを特徴とする請求項２に記載の容器。
4. 前記第２素子は、熱可塑性材料によって外側を被覆されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の容器。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の容器を備えることを特徴とする自動車用流体タンク。
6. 前記容器は、実質的に前記自動車用流体タンクの底部に設置されることを特徴とする請求項５に記載の自動車用流体タンク。