KR20190094408A - 디젤 배기 유체 저장탱크용 침수식 전기 히터 - Google Patents

디젤 배기 유체 저장탱크용 침수식 전기 히터 Download PDF

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Abstract

침수식 히터가, 피복된 반도체 가열 요소를 포함한다. 가열 요소는, 단일 필라멘트, 얀, 또는, 트위스팅될 수 있는 반도체 섬유의 다발, 편조된 섬유들 또는 얀들, 또는 이와 유사한 것의 형태의, 비금속 탄소-기반 소재일 수 있을 것이다. 피복물(encapsulation)은, 내부에 삽입되는 가열 요소를 갖는, 피복 소재(encapsulation material)(들)의 하나 이상의 층의 튜브의 형태일 수 있을 것이다. 대안적으로, 가열 요소는, 반도체 탄소 첨가물을 동반하는 열가소성 소재일 수 있으며, 그리고 가열 요소는, 절연 피복 소재(insulating encapsulation material)(들)의 하나 이상의 외부 층으로 코팅될 수 있을 것이다. 피복 소재는, DEF와 같은, 낮은 온도에서 동결(freezing) 또는 농밀화(thickening)에 종속되는 유체의 저장탱크 내에 침수되는 것에 대한 충분한 화학적 저항성을 갖는, 고무 또는 열가소성 소재일 수 있을 것이다. 히터는, 사전 결정된 고정된 형상으로 열성형될 수 있을 것이다.

Description

디젤 배기 유체 저장탱크용 침수식 전기 히터
본 발명은 개괄적으로, 유체 저장탱크용 침수식 전기 히터에 관한 것으로, 더욱 구체적으로 열가소성 외피 내에 피복되는 탄소-기반 반도체 가열 요소를 갖는 침수식 히터 및 침수식 히터를 포함하는 디젤 배기 유체 저장 시스템에 관한 것이다.
선택적 촉매 환원("SCR")이, 유럽에서 도로-주행 차량들에 대한 유로 V 또는 유로 VI 표준, 또는 미국에서 광범위한 건설용, 농업용 및 산업용 장비에 사용되는 모든 크기의 오프-로드 디젤 엔진들에 대한 EPA Tier IV 표준들과 같은, 배기 가스 표준을 만족시키기 위해, 디젤 구동 차량들에서 점증적으로 사용된다. 일반적으로, SCR 차량은, 자동차용 요소 용액("AUS(automotive urea solution)") 또는 디젤 배기 유체("DEF(diesel exhaust fluid)")(이하, 양자 모두 또는 어느 하나가 "DEF"로 지칭될 것임)와 같은 작동 유체를 보유하기 위해 사용되는, 연료 탱크와 별개인, 요소 탱크를 갖는다. DEF는, 탈염수(de-mineralized water)에서의 고순도 요소의 32.5% 용액이다. DEF는 일반적으로, SCR 차량의 요소 탱크 내에 저장되며 그리고, 질소 산화물들을 원소 질소와 물로 변환하기 위해 차량의 배기 가스 내로 분무된다.
문제점이 되는 것으로서, DEF는, 대략 -11℃(11℉)의 온도에서 동결된다. SCR 차량에서 배기 가스를 감소시키기 위한 이러한 방법이 효과적으로 유지되는 것을 보장하기 위해, DEF는, 분사를 허용하기 위해 액체 상태로 유지될 필요가 있다.
따라서, SCR 시스템들에서, 유체 운반 라인들 및 DEF를 수용하는 탱크들이, SCR 시스템이 대략 -11℃(11℉) 아래의 온도에서 기능하는 것을 허용하기 위해, 가열되어야만 한다. 해동(Thawing)은, 더 큰 유체 체적 때문에, 운반 라인에서보다 탱크에서 훨씬 더 느린 속도로 일어나며, 따라서 시스템의 느린 활성화로 이어진다. 현재의 SCR 시스템들은, 동결된 DEF를 해동하기 위해, DEF 탱크 내의 구리 코일을 통해 순환되는 엔진 냉각제를 사용한다. DEF를 해동하기 위해 요구되는 시간은, 부분적으로, 엔진이 시동된 이후에 엔진 냉각제를 워밍업하기 위한 시간에 의해 결정되며, 그리고 이는 일반적으로, 배기 가스 제어 시스템의 시동을 지연시키는 속도-제한 단계(rate-limiting step)이다. 냉각제의 온도 제어의 부족에 부가하여, 시스템의 비용 및 복잡성이, DEF 탱크로 그리고 DEF 탱크로부터 연장되는 냉각제 라인들에 대한 필요성에 의해 증가된다.
본 발명은, SCR 시스템들 내의 DEF 탱크들과 같은, 유체 저장탱크들을 위한 침수식 전기 가열을 제공하는, 시스템들 및 방법들에 관한 것이다.
본 발명의 침수식 히터의 실시예들은, 피복된 반도체 가열 요소를 활용한다. 가열 요소는, 단일 필라멘트, 얀, 또는, 트위스팅될 수 있는 반도체 섬유들의 다발, 편조된(braided) 섬유들 또는 얀들, 또는 이와 유사한 것의 형태, 바람직하게 연속적인 필라멘트 탄소 섬유 또는 탄소 섬유 얀의 형태일 수 있을 것이다. 가열 요소는, 도전성 카본 블랙, 탄소 나노구조물, 또는 탄소 섬유가 충진된 열가소성 중합체와 같은, 반도체 열가소성 소재일 수 있을 것이다. 피복 소재는, DEF와 같은, 낮은 온도에서 동결(freezing) 또는 농밀화(thickening)에 종속되는 유체의 저장탱크 내에 침수되는 것에 대한 충분한 화학적 저항성을 갖는, 고무 또는 열가소성 소재일 수 있을 것이다. 피복물(encapsulation)은, 내부에 삽입되는 가열 요소를 갖는, 피복 소재(encapsulation material)(들)의 하나 이상의 층의 튜브의 형태일 수 있을 것이다. 대안적으로, 가열 요소는, 함침 소재에 의해 완전히 함침될 수 있으며 및/또는 피복 소재(들)의 하나 이상의 외부 층으로 코팅될 수 있을 것이다. 침수식 히터는, 라운드형, 또는 오브라운드형(obround), 또는 핀형(finned)과 같은, 임의의 요구되는 단면 형상을 가질 수 있을 것이다. 침수식 히터는, 열성형 가능할 수 있으며 그리고, 선형, 굽은형, 코일형, 또는 형상들의 복잡한 조합과 같은, 임의의 요구되는 형상으로 배열될 수 있을 것이다. 침수식 히터는 그에 따라, 사용 시 그러한 사전 결정된 고정된 형상을 유지하기에 충분할 정도로, 단단하거나 견고하다. 바람직하게, 사전 결정된 고정된 형상은, 적어도 하나의 굽은 부분 또는 코일형 부분을 포함하는, 비-선형이다.
일부 바람직한 실시예에서, 가열 요소를 위한 피복 소재는, 압출 및 열성형될 수 있는, 열가소성 소재이다. 그에 따라, 본 발명은 또한, 가열 요소 상에 열가소성 피복 소재를 압출하는 단계, 사전 결정된 히터 형상으로 소정 길이의 압출 성형물을 열성형하는 단계, 및 외부 전원 또는 컨트롤러에 대한 것과 같은 적당한 전기적 연결을 갖도록 저장탱크 내에 성형된 히터를 설치하는 단계를 포함하는 방법에 관련된다. 침수식 히터는, 동결될 때 유체를 가열하거나 유체를 녹이기 위해, 다양한 유체 저장탱크 구성들 내에 효과적으로 조립하도록, 또는 다양한 유체 저장탱크 구성들에 효과적으로 수용되도록, 임의의 편리한 또는 유용한 형상으로 이루어질 수 있을 것이다. 시스템의 온도는, 사용되는 반도체 섬유 또는 필라멘트의 양, 구성, 및 유형에 의해, 그리고 인가되는 전압에 의해, 밀접하게 제어될 수 있다.
다른 실시예에서, 침수식 히터는, SCR 시스템 내의 DEF 탱크와 같은, 유체 저장탱크 내에서의 사용을 위한, 흡입 튜브 둘레에 형성되거나, 흡입 튜브와 조합으로 조립될 수 있을 것이다.
본 발명의 실시예들은, 가열된 엔진 냉각제에 의존하는 종래 방법들보다, 유체의 더 신속한, 더욱 효과적인 가열 또는 해동을 야기할 수 있을 것이다. 이러한 방법을 사용하여 DEF를 가열함에 의해, 통상적인 SCR 시스템 내의 DEF 탱크로의 및 DEF 탱크로부터의 엔진 냉각제 라인들이, 제거될 수 있을 것이다.
본 명세서에 통합되며 그리고 본 명세서의 일부를 형성하는, 유사한 참조 부호들이 유사한 부분들을 지시하는, 첨부되는 도면들은, 본 발명의 실시예들을 도시하며, 그리고, 상세한 설명과 함께, 본 발명의 원리를 표현하는 역할을 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 가열되는 DEF 탱크를 갖는 SCR 시스템을 도시하고;
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 침수식 히터의 대안적인 배열을 도시하며;
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 침수식 히터의 다른 대안적인 배열을 도시하고;
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 피복된 침수식 히터의 단면을 도시하며;
도 5는 피복된 침수식 히터의 다른 실시예의 단면을 도시하고;
도 6은 침수식 히터의 다른 실시예의 부분 분해도를 도시하며;
도 7은 침수식 히터의 또 다른 실시예의 부분 분해도를 도시하고;
도 8은 흡입 튜브와 조합된 침수식 히터의 실시예를 도시하며;
도 9는 도 8의 침수식 히터의 단면을 도시하고;
도 10은 피복된 침수식 히터의 다른 실시예의 단면을 도시하며;
도 11은 피복된 침수식 히터의 다른 실시예의 단면을 도시하며; 그리고
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 가열 요소를 도시한다.
본 발명은, 저장탱크 또는 비축 탱크 내의 유체를 가열하기 위해 사용될 수 있는, 침수식 히터들, 시스템들 및 방법들에 관련된다. 침수식 히터는, 탱크 내에 잠기게 되어, 탱크 내의 유체를 데울 수 있고, 유체의 동결을 방지할 수 있으며, 또는 동결된 유체를 녹일 수 있는, 전기적으로 가열되는 라인이다. 침수식 히터의 실시예들은, 튜브 또는 다른 압출된 형상의 전기적 절연 소재 내부에 수용되거나 피복되는, 반도체 저항 가열 요소를 사용할 수 있을 것이다. 침수식 히터는, 디젤 엔진들을 위한 SCR 시스템들 내에 사용되는 DEF 탱크들에서, 용도를 갖는다.
침수식 히터는, 피복된 탄소 섬유, 탄소 섬유 얀, 저항 가열 와이어, 또는 다른 저항 가열 요소를 활용한다. 히터는, 유체를 효과적으로 가열하거나 또는 동결된 유체를 해동하기 위해, 유체(또는 동결된 유체) 내에 잠길 수 있다. 시스템의 온도는, 사용되는 탄소 섬유 또는 다른 저항 가열 요소의 양 및 유형에 의해 밀접하게 제어될 수 있으며, 그리고 엔진의 시동 시에 동결된 DEF 탱크의 더 신속한 더욱 효과적인 해동을 야기할 수 있을 것이다. 섬유의 피복물은, 열가소성 튜브 또는 압출 형상인 것과 같은, 열가소성 소재일 수 있을 것이다. 열가소성 소재는, 다양한 탱크 구성에 수용되도록, 열성형될 수 있을 것이다.
도 1은, 본 발명의 실시예에 따라 가열되는 DEF 탱크를 갖는, 대표적인 DEF 시스템을 도시한다. 도 1에서, DEF 시스템(10)은, 테일 파이프(13)를 통해 배기 가스를 배출하기 이전에, 배기 가스(11)를 처리하는 SCR 변환기(12)를 포함한다. 주입 유닛(Dosing unit)(15)이, DEF를, DEF 탱크 또는 저장탱크(16)로부터, 흡입 라인(18) 및 흡입 라인(19)을 통해, 촉매 변환기(12) 내로 분사하기 위해 DEF 분사기(14)로, 운반한다. 침수식 히터(20)가, 히터 장착 플랜지(24)를 통해 부착되며, 그리고 히터 컨트롤러(22)에 전기적으로 연결될 수 있을 것이다. 저장탱크(16)는, 충전 포트(17)를 구비할 수 있을 것이다. 운반 라인(26)이, 가열되는 라인일 수 있을 것이다.
침수식 히터(20)에 대한 임의의 개수의 형상들 또는 변형예들이, 주어진 저장탱크에 대한 필요성에 의존하여, 가능하다. 도 2는, 침수식 히터(20) 및 흡입 라인(19)이 단일 장착 플랜지(24')를 관통하는, 변형예를 도시한다. 도 2의 침수식 히터(20)는 또한, 흡입 튜브 및 흡입 유입구의 근처에서 유체를 더 양호하게 가열하기 위한 하부 굽은 부분 및 일부 수직 코일들을 갖도록 형성된다. 조립체(25)는, 더욱 표적화된 가열을 제공할 뿐만 아니라, 조립하기에 더 용이할 수 있을 것이다.
도 3은, 단일 플랜지(24')를 통해 침수식 히터(20)와 흡입 튜브(19)를 조합한, 조립체(35)의 제2 변형예를 도시한다. 도 3에서, 침수식 히터(20)는, 흡입 튜브(19)에 평행하게 연장되는 2개의 라인뿐만 아니라, 흡입 유입구를 둘러싸는 해당 구역에서의 표적화된 가열을 위한 복수의 수평 코일을 구비한다. 다시, 복수의 대안적인 배열들이, 고려될 수 있을 것이다. 본 발명에 따른 열성형 가능한 침수식 히터와 더불어, 거의 모든 형상이, 용이하게 구현될 수 있을 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 피복된 침수식 히터의 단면을 도시한다. 도 4에서, 침수식 히터(20)는, 피복 튜브(34)의 형태의 피복 소재 내부에, 가열 요소(30)를 포함한다. 튜브형 통로(32)는, 가열 요소(30)의 용이한 삽입 또는 제거를 위해, 크기 결정될 수 있을 것이다. 통로(32)는, 요구되는 바에 따라, 공기 충전되거나, 또는 다른 유체로 충전될 수 있을 것이다.
도 5는 피복된 침수식 히터의 다른 실시예를 도시한다. 도 5에서, 침수식 히터(20')는, 피복 몸체(36)의 형태의 피복 소재 내부에, 가열 요소(30)를 포함한다.
도 4 또는 도 5의 침수식 히터는, 도 1 내지 도 3에 나타난 바와 같이, 플랜지(24 또는 24')에 진입 지점 및 진출 지점을 갖는, 그러나 저장탱크(16)에서의 사용을 위한 임의의 요구되는 또는 사전 결정된 길이 또는 형상을 갖는, 연속적인 요소로서, 성형되거나 형성될 수 있을 것이다. 대안적으로, 침수식 히터는, 단일 튜브 또는 몸체 내부에 복귀 와이어 또는 접지 와이어 그리고 2개 이상의 가열 요소 또는 하나의 가열 요소를 갖는, 단일 튜브 또는 몸체일 수 있을 것이다. 도 6은, 단일 피복 몸체(36') 내에 피복되는 연속적인 가열 요소(30)를 구비하고, 가열 요소(30)는 하나의 단부에서 몸체(36')로 진입하고 진출하는 것인, 침수식 히터(40)를 도시한다. 도 6은, 아령-형상(또는 8-자형) 단면을 갖는 몸체(36')를 도시하지만, 제한 없이, 예를 들어, 라운드형, 타원형, 평면형, 직사각형, 또는 복잡한 형상을 포함하는, 임의의 요구되는 단면이 사용될 수 있다는 것이, 이해되어야 한다.
도 7은, 단일 피복 튜브(34) 내에 피복되는 가열 요소(51)를 구비하고, 양자 모두 동일한 단부에서 가열 요소(51)는 튜브형 통로(32)로 진입하며 그리고 요소(52)는 튜브형 통로(32)로 진출하는 것인, 침수식 히터(50)를 도시한다. 요소(52)는, 튜브의 폐쇄 단부 근처에서 자체적으로 반전될, 가열 요소(51)의 다른 단부일 수 있으며, 또는 요소(52)는, 가열 요소(51)의 원위 단부에 부착되는 복귀 또는 접지 와이어의 단부일 수 있다. 2개의 요소(51, 52)는, 서로 전기적으로 절연될 수 있을 것이다.
도 8 및 도 9는, 침수식 히터(62)가, 이중 나선형으로 배열되며 그리고 튜브형 통로(63)를 갖는 환형 몸체(38) 내에 피복되는, 가열 요소(30)를 포함하는, 다른 가능한 실시예를 도시한다. 가열될 튜브 또는 호스 또는 파이프가, 가열될 튜브형 통로 내에 삽입될 수 있을 것이다. 도 8에서, 흡입 튜브(19)는 그에 따라, 가열 튜브 조립체(60)를 형성하도록, 침수식 히터(62)를 통해 삽입된다.
도 10 및 도 11은, 특정 용도에 유용할 수 있는 침수식 히터들의 더욱 복잡한 단면 형상들의 예들을 도시한다. 도 10은, 직사각형 단면 핀들을 갖는 핀형 몸체(36")에 의해 피복되는 가열 요소(30)를 갖는, 침수식 히터(20")를 도시한다. 핀들은, 더 양호한 열전달을 제공할 수 있을 것이다. 도 11은, 삼각형 단면 핀들을 갖는 핀형 몸체(36''')에 의해 피복되는 가열 요소(30)를 갖는, 침수식 히터(20''')를 도시한다. 불규칙적 형상의 핀들을 포함하는, 임의의 유용한 형상의 핀들이, 사용될 수 있다.
본 발명의 침수식 히터의 실시예들은, 가열 요소로서, 피복된 반도체-섬유 또는 필라멘트, 또는 다른 세장형 소재를 활용한다. 가열 요소는, 단일 필라멘트, 얀, 또는, 트위스팅될 수 있는 반도체 섬유들, 필라멘트들 또는 와이어들의 다발, 편조된 섬유들 또는 얀들, 또는 이와 유사한 것의 형태일 수 있을 것이다. 반도체 저항성 필라멘트형 가열 요소는, 트위스팅된 또는 편조된 탄소 섬유 얀, 또는 복수의 탄소 섬유 얀의 다발로 구성될 수 있을 것이다. 비-제한적인 예들로서, 탄소 섬유 얀은, 1k, 3k, 6k, 12k, 및 이와 유사한 것과 같은, 임의의 적절한 사이즈일 수 있으며 그리고, 예를 들어 접착 또는 강도를 향상시키기 위한, 유리 또는 아라미드와 같은 다른 섬유와 탄소의 혼성물일 수 있을 것이다. 바람직하게, 섬유들은 비-금속이다. 바람직하게, 가열 요소는, 충분한 저항성을 유지하기 위해, 금속 또는 금속-코팅 섬유들 또는 필라멘트들을 전혀 갖지 않는다. 예상되는 비-금속 구성은, 금속성 소재들보다 중량이 더 가벼울 것이며 그리고 부식되기 어려울 것이다. 도 12는, (얀들 또는 다발들일 수 있는) 연속적인 탄소 섬유들(31)이 코어(33) 위에 편조되는 것인, 가열 요소(30)의 하나의 실시예를 도시한다. 코어(33)는, 도 4에 도시된 바와 같이 가열 요소(30)를 피복 튜브(34) 내로 당겨 넣은 이후에 또는 도 5에 도시된 바와 같이 절연 몸체(36)로 코팅한 이후에, 히터(20)의 최종 형태로 성형하기 위해, 열가소성 또는 열성형 가능한 소재, 또는 단순히 가요성 소재일 수 있을 것이다. 코어는, 중실 세장형 몸체일 수 있을 것이다(즉, 중공형 또는 튜브형이 아님). 도 12는 또한, 전기적 시스템에 대한 가열 요소의 커플링을 용이하게 하기 위한, 전기 커넥터(35)의 사용을 도시한다. 임의의 적당한 전기적 연결이 사용될 수 있을 것이다.
다른 실시예에서, 가열 요소는, 필라멘트, 라인, 튜브, 또는 압출 성형물의 형태의, 반도체 저항성 고무 또는 열가소성 소재일 수 있을 것이다. 가열 요소는, 반도체 중합체, 또는 카본 블랙, 탄소 섬유, 또는 탄소 나노-구조물들과 같은 탄소-기반 첨가제에 의해 중합체로 이루어지는 반도체에 기초하게 될 수 있을 것이다. 이러한 가열 요소는, 중합체 매트릭스 내에, 반도체 충전제(semi-conductive filler)로서, 탄소 섬유, 소위 도전성 카본 블랙, 또는 탄소 나노-구조물들을 함유할 수 있을 것이다. 탄소 나노-구조물들은, 탄소 나노튜브들(단일-벽 또는 복수-벽), 그래핀(graphene), 또는 이와 유사한 것을 포함할 수 있을 것이다. 탄소 섬유는, 균일한 길이의 절단 섬유들(chopped fibers), 또는 무작위적 길이의 분쇄된 섬유(milled fibers)일 수 있을 것이다. 적절한 카본 블랙들이, N472(ASTM 지정); 코봇 코포레이션(Cabot Corporation)으로부터의 Black Pearls® 2000, Vulcan® XC72 및 P, 그리고 Sterling® C; 그리고 콜럼비안 케미칼스 컴퍼니(Columbian Chemicals Company)에 의한 상표명 "Conductex"로 판매되는 등급품을 포함한다. 복수의 탄소-기반 첨가제가, 요구되는 레벨의 반-도전성을 달성하기 위해 조합될 수 있을 것이다. 가열 요소를 위한 중합체 매트릭스는, 나일론 6, 나일론 12, 나일론 66, 나일론 46, 또는 이와 유사한 것과 같은, 나일론 소재일 수 있을 것이다. 다른 유용한 중합체 매트릭스 소재들이, 충분히 높은 지속적인 서비스 온도를 갖는, PEEK와 같은 폴리에테르케톤들, PPS와 같은 폴리아릴렌설파이드들, 폴리카보네이트들, 폴리에스테르들, 폴리에테르이미드, 아세탈, 폴리프로필렌, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리설폰, 폴리테트라플루오로에틸렌, 및 다른 열가소성 소재들을 포함한다. 바람직하게, 중합체 매트릭스의 지속적인 서비스 온도는, 100℃ 이상, >120℃, >130℃, >140℃, 또는 ≥150℃일 수 있을 것이다.
가열 요소는, 마모 또는 환경적 상태로부터의 보호, 개선된 내구성, 전기적 절연성, 또는 다른 요구되는 기능을 제공할 수 있는, 하나 이상의 피복 소재로 완전히 또는 부분적으로 코팅될 수 있으며, 또는 완전히 또는 부분적으로 함침될 수 있을 것이다.
가열 요소를 위한 피복 소재는, DEF와 같은, 낮은 온도에서 동결 또는 농밀화에 종속되는 유체의 저장탱크 내에 침수되는 것에 대한 충분한 화학적 저항성을 갖는, 고무 또는 열가소성 소재일 수 있을 것이다. 피복물은, 내부에 삽입되는 가열 요소를 갖는, 피복 소재(들)의 하나 이상의 층으로 이루어지는 튜브의 형태일 수 있을 것이다. 가열 요소는, (도 4 및 도 7에 도시된 바와 같이) 요구되는 유체 내에의 침수에 적절한 그리고 요구되는 구성으로의 성형에 적절한, 피복 튜브 또는 호스 내로 삽입될 수 있을 것이다. 피복 튜브는, 열가소성 튜브로 구성될 수 있다. 열가소성 소재의 용융점은 바람직하게, 가열 요소의 설계 최대 온도를 상회한다. 튜브는, 나일론 6, 나일론 12, 나일론 66, 나일론 46, 또는 이와 유사한 것과 같은, 나일론 소재일 수 있을 것이다. 다른 유용한 피복 소재들이, 충분히 높은 지속적인 서비스 온도를 갖는, PEEK와 같은 폴리에테르케톤들, PPS와 같은 폴리아릴렌설파이드들, 폴리카보네이트들, 폴리에스테르들, 폴리에테르이미드, 아세탈, 폴리프로필렌, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리설폰, 폴리테트라플루오로에틸렌, 및 다른 열가소성 소재들을 포함한다. 바람직하게, 지속적인 서비스 온도는, 100℃ 이상, >120℃, >130℃, >140℃, 또는 ≥150℃일 수 있을 것이다.
대안적으로, 가열 요소는, 피복 소재의 하나 이상의 층으로 직접적으로 코팅될 수 있으며, 그러한 경우에, 피복 소재의 하나 이상의 층은, 본 명세서에서, 피복 몸체 또는 외피로 지칭된다. 가열 요소가, 섬유들, 필라멘트들 또는 와이어들을 포함하는 경우, 이들은, 피복 몸체와 동일한 소재일 수 있는 함침 소재로, 부분적으로 또는 완전히 함침될 수 있을 것이다. 가열 요소는, 피복 소재(들)의 하나 이상의 외부 층으로 코팅될 수 있을 것이다. 일부 실시예에서, 가열 요소를 위한 피복 소재는, 압출 및 열성형될 수 있는, 열가소성 소재이다. 피복 몸체는, 나일론 6, 나일론 12, 나일론 66, 나일론 46과 같은, 나일론 소재, 폴리프로필렌, 또는 튜브 또는 중합체 매트릭스를 위한 상기한 유용한 피복 소재들 중의 임의의 것일 수 있을 것이다.
피복 소재 또는 중합체 매트릭스 소재는, 열가소성 소재이든 고무이든, 제한 없이, 신장 충전제(extending fillers), 보강 충전제, 가소제, 접착 촉진제, 충격 개질제, 공정 보조제, 항열화제(antidegradants), 경화제, 또는 이와 유사한 것과 같은, 공지된 배합 성분들을 포함할 수 있을 것이다. 바람직하게, 피복 소재는, 열전도성일 수 있지만, 바람직하게 전기 전도성은 아닐 수 있을 것이다. 가열 요소는, 금속 외피 내에 놓이지 않는다는 것을, 알아야 한다. 또한, 피복 소재는 금속 외피를 포함하지 않는다.
결과적으로 생성되는 침수식 히터는, 가열 요소의 전기적 저항성 때문에, 전압이 자체를 가로질러 인가될 때, 즉 그 자체가 가열 회로의 전기적 경로의 일부일 때, 가열될 것이다. 전기적 경로는, 단부와 단부를 잇는 것, 즉 침수식 히터의 일단부로부터 타단부로 이어지는 것일 수 있으며, 또는 단일 단부 침수식 히터를 위한, 또한 피복되는 복귀 와이어가 존재할 수 있을 것이다. 전압 소스 또는 전원이 튜브 또는 몸체 내의 가열 요소에 연결될 때, 전기가, 유체와의 접촉 상태로 침수될 수 있는 가열 라인을 생성하도록, 가열 요소를 통해 접지로 흐를 것이다. 피복 튜브 또는 몸체 내에서 생성되는 열은, 동결된 유체를 해동하도록 또는 유체의 점성을 낮추도록, 그에 따라 용도에 필요함에 따라 유체가 유동하는 것을 허용하도록, 탱크 유체를 데울 것이다. 유리하게, 본 침수식 가열 시스템은, 개별적인 히터 길이에 대해 필요한 가열 요건을 만족시키기 위해, 조립 시 피트 당 저항을 조절할 능력을 제공한다. 피트 당 오옴(ohms)으로 표현될 수 있는 바와 같은, 상이한 저항 레벨을 갖는 반도체 가열 요소 소재들을 사용함에 의해, 더 긴 길이의 조립체에 대해 피트 당 저항 또는 전체 저항을 낮출 수 있을 것이다. 편조된 탄소 섬유 또는 절단된 탄소 충전 열가소성 소재와 같은, 본 명세서에 설명되는 가열 요소들 중의 임의의 것과 더불어, 저항은, 주어진 차량 시스템 전압(예를 들어 12V, 24V, 또는 48V)에 대해 그리고 요구되는 가열 속도에 대해 조정될 수 있을 것이다.
가열 요소는 유리하게, 최대 50 오옴의, 또는 대략 1 내지 40 오옴의, 전체 저항, 또는 피트 당 2 내지 15 오옴의 저항을, 가질 수 있을 것이다. 가열 요소의 단부들에 대한 전기적 연결(들)은 특별히 제한되지 않으며, 그리고 단부들 및/또는 연결부들은 또한, SCR 시스템 또는 차량 전기 시스템 내로의 통합을 위한 임의의 적당한 커넥터, 커플링, 또는 플러그를 갖도록, 오버-몰드될 수 있으며, 성형될 수 있고, 및/또는 마련될 수 있을 것이다. 히터 제어는, 미국 특허 제9,032,712 B2호, 또는 미국 특허공개 제2010/0095653 A1호, 등에 개시된 것과 같은, 종래기술에 공지된 임의의 것일 수 있을 것이다.
본 발명은 또한, 열가소성 피복 소재를 가열 요소 상에 압출하는 단계, 압출 성형물을 사전 결정된 길이로 절단하는 단계, 절단된 길이의 압출 성형물을 사전 결정된 히터 형상으로 열성형하는 단계, 및 성형된 히터를 저장탱크 내에 설치하는 단계를 포함하는, 침수식 히터를 제조하는 방법에 관련된다. 히터는, 외부 전원 또는 컨트롤러 또는 차량 전기 시스템에, 적당한 전기적 연결과 더불어 연결될 수 있을 것이다. 침수식 히터는, 동결될 때 유체를 가열하거나 유체를 녹이기 위해, 다양한 유체 저장탱크 구성들 내에 효과적으로 조립하도록, 또는 다양한 유체 저장탱크 구성들에 효과적으로 수용되도록, 임의의 편리한 또는 유용한 형상으로 형성될 수 있을 것이다. 단일 단부 침수식 히터에 대해, 하나의 절단 단부가, 회로를 완성하기 위해 피복된 와이어들의 단부들을 연결한 이후에, 밀봉될 수 있을 것이다. 침수식 히터는 그에 따라, DEF 저장탱크를 가열하기 위해 DEF 시스템 내로 통합될 수 있을 것이다.
반도체 침수식 히터를 활용하는 시스템의 작용을 용이하게 하기 위해, 도 1의 운반 라인(26)과 같은, 시스템과 연관되는 커플링들, 호스들, 또는 튜브들을 또한 데우는 것이 유리할 수 있을 것이다. 커플링들 및 호스들이 데워지지 않는 경우, 유체가 그들을 통과하는 것이 어려울 수 있을 것이다. 그의 내용이 참조로 본 명세서에 통합되는, "가열된 유체 도관, 단부 커버들, 시스템들, 및 방법"으로 명칭이 부여된, 미국 특허 제8,559,800 B2호에 개시된, 가열된 유체 도관, 커플링들 및 시스템들은, 이러한 목적을 위해 시스템 내로 통합될 수 있을 것이다.
본 발명은 또한, 본 명세서에 설명되는 탱크 히터 또는 침수식 히터, 및 가열되는 DEF 저장탱크 시스템의 또는 SCR 시스템의 하나 이상의 부가적인 특징부를 포함하는, 시스템에 관련된다. 그러한 부가적인 특징부들은, DEF 저장탱크 또는 DEF 탱크, 가열되는 DEF 라인들, 전원, 제어 전자기기, DEF 펌프, 흡입 튜브, 흡입 유입구, DEF 분사기, 등을 포함한다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 전기적 침수식 히터를 갖는 가열되는 유체 저장탱크를 제공하는 방법이, 튜브의 몸체 내 또는 압출된 몸체 내에 반도체 소재를 배치하는 단계, 및 히터가 그 내부에서 침수되는 저장탱크 내의 유체 및 튜브 또는 압출된 몸체를 그에 따라 가열하도록, 반도체 소재에 전류를 인가하는 단계를 포함할 수 있을 것이다. 본 발명의 일부 실시예에서, 커버가, 세장형 몸체의 단부에 조립되는 커플링 위에, 및/또는 세장형 몸체의 단부에 전원을 커플링하는 와이어의 단부 위에, 배치될 수 있으며, 와어어는 커버의 개구를 통과한다. 제시된 침수식 히터들, 시스템들, 또는 방법들의 일부 실시예들에서, 히터는, 플랜지 또는 격벽 부속품(bulkhead fitting)을 통해 연장될 수 있으며, 그리고 커버가, 전원 또는 컨트롤러를 침수식 히터의 단부에 커플링하는 도체의 단부 위에 뿐만 아니라, 플랜지 및/또는 부속품 위에, 배치될 수 있으며, 다시 도체는 커버의 개구를 통과한다. 바람직하게, 커버는, 생성되는 열을 구속하도록 커플링을 단열한다. 또한 열을 구속하기 위해, 다양한 실시예들이, 침수식 히터의 단부들 위에 배치되는 단열 재킷(insulating jacket)을 사용할 수 있을 것이다.
DEF 탱크들 및 다른 가열되는 시스템 구성요소들이, 사용 도중에, 직접적으로 또는 간접적으로, 흔히 요소들(즉, 비 또는 눈)에 노출될 수 있기 때문에, 수분이 히터를 관통할 그리고 전기적 연결을 차단할 가능성이, 존재한다. 가열의 차단은 바람직하지 않다. 따라서, 본 발명에 따라, 방수를, 또는 적어도, 수분이 전기 회로와 접촉하는 것으로부터 밀봉하는 침수식 히터의 단부 또는 단부들 위의, "방수 커버"를 제공하는 것이, 유리할 수 있을 것이다.
따라서 본 발명에 따라, 제시된 침수식 히터의 단부들은, 수분으로부터 커버될 수 있으며, 그로 인해 수분이 호스의 가열을 차단하는 것을 방지하도록 한다. 바람직하게, 그러한 커버는, 적어도 커넥터의 단부를 커버할 그리고 가열 요소를 커버하는 피복 소재에 대해 밀봉할, 사출 성형된 플라스틱을 포함한다. 성형된 플라스틱은 또한 바람직하게, 수분이 전기적 연결부로 이동하는 것을 방지하기 위해, 전원 와이어 둘레를 밀봉하기 위한 수단을 구비할 것이다. 이상적으로, 침수식 히터 단부들에 대한 이러한 밀봉은 또한, 완전한 수중용 히터 조립체가 생성되는 것을 허용한다.
따라서, 본 발명의 그러한 실시예들에 따르면, 침수식 히터가, 그 내부에 배치되는 반도체 소재를 갖는 세장형 몸체 및, 몸체를 가열하기 위해 자체를 통해 전류를 그리고 자체를 가로지르는 전압을 제공하도록, 전원을 세장형 몸체에 연결하는 적어도 하나의 와이어 뿐만 아니라, 몸체의 단부에 조립되는 부속품 위에 그리고 전원을 도관의 단부에 연결하는 와이어의 단부 위에 몰딩되는 단부 커버를 또한 포함할 수 있을 것이다. 이상에 논의된 바와 같이, 전원은, 몸체의 각 단부에 연결될 수 있을 것이다. 바람직하게, 단부 커버는, 전류에 의해 제공되는 열을 구속하는 부속품을 단열한다.
그로 인해, 몰딩된 단부 커버를 구비하는 유체 저장탱크 침수식 히터를 제공하는 방법이, 침수식 히터의 세장형 몸체 내에 반도체 소재를 배치하는 단계, 세장형 몸체의 단부에 단부 커버를 몰딩하는 단계, 반도체 소재와 접촉하도록 도전체를 포획하는 단계, 및 세장형 몸체를 가열하도록, 세장형 몸체를 가로질러, 도전체를 통해, 전류를 인가하는 단계를 포함할 수 있을 것이다. 이상에 언급된 바와 같이, 반도체 소재는, 반도체 탄소 섬유 소재를 포함할 수 있으며, 그리고 반도체 소재는, 튜브 또는 호스 내부에 및/또는 압출된 열가소성 소재 몸체 내에 배치될 수 있을 것이다. 침수식 히터는, DEF의 동결을 방지하거나 해동하기 위해 요소 탱크를 가열하는 것에 특히 유용할 수 있을 것이다. 본 발명의 히터 및 방법들은, 통상적인 시스템들에서의 DEF 탱크로의 그리고 DEF 탱크로부터의 모든 냉각제 라인이 제거되는 것을 허용한다. 본 발명은, 가열된 엔진 냉각제에 의존하는 종래 방법들보다, 유체의 더 신속한, 더욱 효과적인 가열 또는 해동을 야기할 수 있을 것이다. 침수식 히터는 비축 탱크들 내의 유체들을 가열하기 위한 많은 상이한 적용들을 위해 사용될 수 있다는 것이, 또한 이해되어야 한다. 가열될 수 있는 소재들의 예들은, 유압 유체들, 촉매 변환기들을 위한 요소 혼합물들, 윤활 라인들을 위한 그리스 또는 오일, 및 이와 유사한 것을 포함한다.
비록 본 발명 및 그의 이점들이 상세하게 설명되었지만, 다양한 변경, 치환, 변형들이 첨부된 청구범위에 의해 한정되는 바와 같은 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어남 없이, 여기에서 이루어질 수 있다는 것이, 이해되어야 한다. 더불어, 본 출원의 범위는, 명세서에 설명되는, 프로세스, 기계, 제조, 재료의 조성, 수단, 방법 및 단계에 대한 특정 실시예들로 제한되도록 의도되지 않는다. 당업자 중 하나가 본 발명의 개시로부터 쉽게 인식할 것으로서, 여기에서 설명되는 대응하는 실시예들과 같은, 실질적으로 동일한 기능을 실행하거나 또는 실질적으로 동일한 결과를 달성하는, 기존의 또는 이후에 개발될, 프로세스, 기계, 제조, 재료의 조성, 수단, 방법 및 단계가, 본 발명에 따라 활용될 수 있을 것이다. 따라서, 첨부 청구범위는, 그러한 프로세스, 기계, 제조, 재료의 조성, 수단, 방법 또는 단계를 보호 범위 이내에 포함하도록 의도된다. 본 명세서에 개시되는 본 발명은, 본 명세서에 구체적으로 개시되지 않는 임의의 요소 없이도 적절하게 실행될 수 있을 것이다.

Claims (22)

  1. 디젤 배기 유체("DEF") 시스템으로서:
    DEF 저장탱크 및 상기 저장탱크 내에 통합되는 침수식 전기 히터를 포함하고; 상기 침수식 히터는, 전기적 반도체의 탄소-기반 가열 요소 및, 상기 가열 요소를 피복하는 열가소성 피복 소재 또는 고무 피복 소재를 포함하는 것인, 디젤 배기 유체 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 가열 요소는, 탄소 섬유들의 연속적인 필라멘트들을 포함하는 것인, 디젤 배기 유체 시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 가열 요소의 피복 소재는, 튜브의 형태이고, 상기 가열 요소는 상기 튜브 내에 삽입되는 것인, 디젤 배기 유체 시스템.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 탄소 섬유들은 코어 둘레에 편조되는 것인, 디젤 배기 유체 시스템.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 가열 요소는, 탄소 섬유들의 상기 연속적인 필라멘트들로 구성되는 것인, 디젤 배기 유체 시스템.
  6. 제 3항에 있어서,
    상기 피복 소재는, 전기 절연성 열가소성 소재이며, 그리고 상기 침수식 히터는, 사전 결정된 고정된 형상으로 열성형되는 것인, 디젤 배기 유체 시스템.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 가열 요소는, 반도체 무-금속 탄소-기반 첨가제를 갖는, 열가소성 소재를 포함하는 것인, 디젤 배기 유체 시스템.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 가열 요소는, 상기 피복 소재로 코팅되는 것인, 디젤 배기 유체 시스템.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 피복 소재는, 전기 절연성 열가소성 소재인 것인, 디젤 배기 유체 시스템.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 침수식 히터는, 사전 결정된 고정된 형상으로 열성형되는 것인, 디젤 배기 유체 시스템.
  11. 침수식 전기 히터로서:
    전기적 반도체 탄소-기반 비-금속 가열 요소 및, 상기 가열 요소를 피복하는, 열가소성 피복 소재를 포함하고; 상기 침수식 히터는, 세장형 몸체의 형태로, 사전 결정된 고정된 형상으로, 열성형되는 것인, 침수식 전기 히터.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 가열 요소는, 탄소 섬유들의 연속적인 필라멘트들을 포함하는 것인, 침수식 전기 히터.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 가열 요소의 피복 소재는, 튜브의 형태이고, 상기 가열 요소는 상기 튜브 내에 삽입되는 것인, 침수식 전기 히터.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 가열 요소의 상기 탄소 섬유들은, 코어 둘레에 편조되는 것인, 침수식 전기 히터.
  15. 제 11항에 있어서,
    상기 가열 요소는, 반도체 무-금속 탄소-기반 첨가제를 갖는, 열가소성 소재를 포함하는 것인, 침수식 전기 히터.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 피복 소재는, 전기 절연성 열가소성 소재이며, 그리고 상기 침수식 히터는, 사전 결정된 고정된 형상으로 열성형되는 것인, 침수식 전기 히터.
  17. 방법으로서:
    전기적 반도체 비-금속 탄소-기반 가열 요소를 형성하는 단계;
    상기 가열 요소를 열가소성 피복 소재 또는 고무 피복 소재 내에 피복하는 단계; 및
    디젤 배기 유체 시스템 내에 저장탱크를 가열하기 위해 침수식 전기 히터를 통합하는 단계
    를 포함하는 것인, 방법.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 형성 단계는, 반-도전성 열가소성 가열 요소를 세장형 몸체로 압출하는 것을 포함하며; 상기 가열 요소는, 무-금속 탄소-기반 반도체 첨가제를 갖는, 열가소성 소재를 포함하는 것인, 방법.
  19. 제 18항에 있어서,
    상기 피복 단계는, 상기 피복 소재의 하나 이상의 외부 층으로 상기 가열 요소를 코팅하는 것을 포함하는 것인, 방법.
  20. 제 19항에 있어서,
    상기 피복 소재는, 전기 절연성 열가소성 소재이며, 그리고 상기 방법은, 히터를 사전 결정된 고정된 형상으로 열성형하는 단계를 더 포함하는 것인, 방법.
  21. 제 17항에 있어서,
    상기 가열 요소는, 연속적인 탄소 섬유들을 포함하며, 그리고 상기 피복 단계는, 상기 피복 소재의 튜브 내에 상기 가열 요소를 삽입하는 것을 포함하는 것인, 방법.
  22. 제 21항에 있어서,
    상기 형성 단계는, 코어 둘레에 상기 탄소 섬유들을 편조하는 것을 포함하는 것인, 방법.
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