CN114466967B - 加热装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于具有尿素还原剂的储存器的加热装置(3)，所述加热装置具有至少一个可电运行的加热元件(6)和与所述加热元件(6)热耦合的热分布元件(7)，其中，所述加热元件(6)具有第一加热部分元件(40)，所述第一加热部分元件具有至少一个正温度系数热敏电阻(5)，其中，所述第一加热部分元件(40)与第二加热部分元件(42，52，62)互连，所述第二加热部分元件设置用于，在大的电压值、尤其是高于13伏的情况下，减少所述加热装置(3)的加热功率与施加到所述加热元件(6)上的电压的相关性，以便散发到具有塑料注塑包封的导热元件和周围构件上的加热功率不是太高。

Description

加热装置
技术领域
本发明基于一种加热装置，所述加热装置具有至少一个加热元件且具有热分布元件，所述至少一个加热元件能够电地运行，所述热分布元件与所述加热元件热耦合，其中，所述加热元件具有第一加热部分元件，所述第一加热部分元件具有至少一个正温度系数热敏电阻。
背景技术
一种用于减少内燃机的废气中的氮氧化物的方法是在使用选择性催化还原的催化剂情况下使氨和氮氧化物发生化学反应以形成水和氮。在尿素水溶液计量进入排气***时，由于化学分解而产生氨。将这种尿素水溶液保存在车辆中的单独的罐中。这种还原剂具有-11℃的冰点。因此，必须在还原剂储存器中设置加热装置，以便再次解冻冷冻的尿素水溶液。
从DE 10 2015 200 168 A1中已知将输送模块附接或焊接在这样的储存器的底部上，该储存器除了加热器之外还包括输送泵。这样的输送模块还可以包括其他部件，例如液位传感器或用于确定在储存器中所包含的液体的成分的质量传感器。为了保护尤其输送泵而且还有计量***的后续液压部件，在此在吸入侧设置过滤装置。
如果在车辆启动时储存器中的还原剂以冷冻的状态存在，则在其能够用于废气净化之前必须首先将其解冻。对于该解冻过程，立法规定最大允许时间，在该最大允许时间之后必须进行废气净化。
也存在对***的可持续和反复解冻的高要求。在这些所谓的“工作日循环(Working Day Cycles，缩写WDC)”中，基于用于开车上班的轿车来调整循环解冻、计量和再冷冻。由罐加热装置所提供的加热功率在这些和其他的***和法律要求中非常重要，其中，力求提供尽可能大的加热功率。
从后公开的DE 10 2018 212 606 A1中已知将PTC元件与金属热分布体以导热方式耦合，其方式为：借助弹簧夹将PTC元件压到热分布体上。
在PTC元件与热分布体的这样的耦合中，可以改进到热分布体上的热传输，其方式为，将金属热分布体的表面匹配于PTC元件的几何形状，其方式为，例如对该表面进行机械加工、尤其是抛光或平滑。为了达到所需的加热功率，因而在加热装置的制造中需要附加的加工步骤，或者使用特殊材料，这会增加成本。
发明内容
相比之下，根据本发明的具有独立权利要求的特征的加热装置具有如下的优点：以简单的方式与电源电压的波动相对地无关的加热功率。尤其也有利的是，在较高电压的情况下设置如下的平衡机制：该平衡机制保护加热装置和尤其可设置的塑料注塑包封免受过高温度的影响。
通过在从属权利要求中列出的措施，可以实现在独立权利要求中所说明的加热装置的有利的扩展方案和改进方案。
特别有利的是，改进加热功率并且因此改进具有至少一个正温度系数热敏电阻(Kaltleiter)的加热装置在解冻时的整体性能，其方式为：降低加热元件或正温度系数热敏电阻的最小电阻或为最小电阻选择小的值。由此增加的或高的加热功率导致更短的解冻时间、在WDC循环中的更好特性和/或可以考虑用作以后要求的功率缓冲器。尤其可以将增加功率(Mehrleistung)用于避免昂贵的生产步骤或昂贵的冷却体材料的使用。
通过在进一步的从属权利要求中和在说明书中提到的特征得出进一步的优点。
附图说明
本发明的实施例在附图中示出并且在以下描述中更详细地阐述。
附图示出：
图1示出加热装置；
图2示出一个曲线图；
图3示出另一曲线图；
图4示出另一个曲线图；
图5示出另一曲线图；
图6示出另一曲线图；
图7示出一个加热元件互连部；
图8示出另一加热元件互连部；
图9示出另一加热元件互连部。
具体实施方式
图1示出加热装置3的横截面视图1，如其在随后公开的专利申请DE 102018 212606A1中已经描述并且其公开内容明确地包含在本专利申请中。该加热装置3可以集成到输送模块中，该输送模块能够安装到用于液态的还原剂的储存器中，所述液态的还原剂用于对内燃机的废气进行后处理(Nachbehandlung)。在横截面中可看到的用作热分布元件7的金属体在经机械加工的、尤其经抛光的表面9上与正温度系数热敏电阻或PTC元件5处于良好的导热接触。在该横截面侧视图中可以看到的是仅一个PTC元件。整个加热元件6例如地具有两个并联连接的PTC元件5。加热装置因而具有加热元件6和热分布元件7，该加热元件具有两个并联连接的正温度系数热敏电阻5。
PTC元件将所提供的电能转换为热量。在此，这些也称为正温度系数热敏电阻的元件具有与温度相关的固有电阻(Eigenwiderstand)。如果元件的温度升高，则其电阻也增加，由此更少的电功率转化为热量。这导致这些元件的自调节或***固有安全性(Systemeigensicherheit)。该原理在图2中说明。
在曲线图11中，图2示出正温度系数热敏电阻的电阻的温度相关性。在正温度系数热敏电阻的关于温度To归一化的温度15上绘制关于最小电阻值Rmin归一化的电阻13，在该温度To下该电阻占据该最小电阻值Rmin。这样的随温度的电阻变化过程对于正温度系数热敏电阻特性是典型的。
图3以曲线图21示出加热装置的归一化的加热功率23与所施加的电压25(以伏为单位)的相关性。除了最小电阻值外，正温度系数热敏电阻或其加热功率以及加热装置的由此得出的加热功率还通过其他物理特征参量表征，例如正温度系数热敏电阻的空间尺寸。在以下考虑中，将标准尺寸假定为空间尺寸。针对加热元件的最小电阻Rmin的说明在下文中示例性地也涉及两个正温度系数热敏电阻的并联连接，所述正温度系数热敏电阻分别具有这样的标准空间尺寸。两个曲线27和29示出以1.605欧姆的标准尺寸大小的两个并联连接的正温度系数热敏电阻的相同最小电阻Rmin的电压相关性。曲线27描述在热分布元件7的经机械加工并且因此热传输优化的表面9的情况下加热装置的加热功率的电压相关性，而曲线29涉及如下加热装置：在该加热装置中，该表面还没有以这样的方式进行机械加工。在存在经机械加工的表面9的情况下，加热功率的归一化涉及13伏的施加电压。
曲线图21示出，加热功率随着电压的增加而增加，然而，加热功率的增加随着电压的增加而变小。曲线图21还示出，相比于在经加工的表面中，在正温度系数热敏电阻的区域中的热分布体的未加工的表面中加热装置的加热功率更低。明显可以看出的是在整个曲线上的较低的功率，在13V的大小的标准电压下，这对应于约7％的降低功率(Minderleistung)。这将导致例如在解冻冷冻的尿素水溶液时明显的功率损耗。
在曲线图31中，图4再次示出由图3已知的曲线27，该曲线涉及经加工的表面9。此外，还示出两个另外的曲线33和35。这两个曲线涉及未加工的表面，类似于图3中的曲线29，然而针对分别具有标准空间尺寸的两个正温度系数热敏电阻的并联连接的最小电阻的更低值。如此，曲线33示出在1.475欧姆的最小电阻(而不是1.605欧姆)的情况下加热装置的加热功率与所施加的电压的相关性，并且曲线35示出在1.2欧姆的最小电阻的情况下加热装置的加热功率与所施加的电压的相关性。如曲线35与曲线27的比较所示，当加热元件的最小电阻从1.605欧姆减小为1.2欧姆时，即使在曲线35中使用未加工的表面，在所施加的电压为11伏时加热装置的加热功率也增加11％。
热分布元件的表面的加工需要附加的、昂贵的加工步骤，该加工步骤仅用于实现计划的加热功率。通过将加热装置的加热元件的最小电阻减小、例如减小到1.475欧姆或减小到1.2欧姆，可以在其对加热装置的加热功率的影响方面补偿或过度补偿这样复杂的加工步骤的取消。由此也可以实现，将更有利的铸造材料(Gusswerkstoff)用于例如构型为铝冷却体的热分布元件。在此，减小的最小电阻不仅具有以下效果：尽管热分布元件制造更简单，但是在13伏的施加电压下实现所期望的加热功率，而且具有以下效果：在小于13伏的电压下显著增加加热功率。这对于用于减少氮氧化物的废气后处理***具有巨大的优点，因为此外还必须在加热电压低至11伏加热电压的情况下满足法律要求。尤其强烈减小的最小电阻因此导致平滑并且尤其是加热功率曲线的增加，该加热功率曲线在低加热电压下具有明显的“性能”增益。
图5示出曲线图36，该曲线图再次示出由图4已知的曲线27和35。此外，还示出加热装置的归一化的加热功率的理想变化过程37。在曲线35与理想变化过程37之间的阴影区域38标记根据曲线35自13伏的施加电压起加热装置的不期望的增加功率的区域。
由加热装置转化的功率以热分布元件的有效温度表现出来，该温度又与加热装置的例如由塑料(例如HDPE)制成的注塑包封(Umspritzung)的表面温度直接相关，该注塑包封用于保护加热装置免受流体的腐蚀作用。如果注塑包封的表面温度将高于确定的值，则其材料特性可能发生变化，这导致尤其对于腐蚀性还原剂尿素溶液(AdBlue)的可渗透性增加，这又可能对加热装置的使用寿命产生负面影响。为了防止这种情况，因此必须避免过高的表面温度，因此在曲线图36中的区域38是不期望的。最佳的是根据理想变化过程37的至少在很大程度上与运行电压25不相关的加热功率23，以便一方面使加热功率在很大程度上不受车载的运行电压波动的影响，例如在11伏与16伏之间的范围内，并且以便另一方面即使在接近11伏的低电压下也能够提供相同大小、但不太高的加热功率。
结合图3和图4已经描述，如何通过在正温度系数热敏电阻中选择小的最小电阻而能够将在低电压下的加热功率朝向更接近理想变化过程37地增加。但是，在大于13伏的电压下，小的最小电阻也导致不期望的高功率(参见图5的曲线图36中的区域38)。
为了普遍性地——即与最小电阻的具体选择不相关地、但是尤其在选择小的最小电阻时——防止在大电压下高于一定的注塑包封温度，最小电阻必须与所施加的电压相关，或者对于大的电压需要对功率进行温度调节。
这可以通过以下方式实现：加热装置的至少一个可电运行的加热元件6具有第一加热部分元件，该第一加热部分元件具有至少一个已经描述的正温度系数热敏电阻5，其中，第一加热部分元件与第二加热部分元件互连，该第二加热部分元件设置用于在大的电压、尤其是高于13伏的情况下减少加热装置的加热功率与施加到加热元件上的电压的相关性。图6的曲线图39在曲线34中示出，与理想变化过程37相比并且与曲线27相比，在使用具有在此处为1.2欧姆大小的小的最小电阻的正温度系数热敏电阻的情况下并且在与第二加热部件元件互连的情况下加热装置的归一化的加热功率的变化过程，该第二加热部件元件将在自13伏起的较大电压下的加热功率的电压变化过程引至靠近理想变化过程37。
这能够借助与第一加热部分元件40并联连接的第二加热部分元件来实现。图7示出这样的加热元件互连部45，在该加热元件互连部中第一加热部分元件40构造为两个正温度系数热敏电阻5的并联连接，其中，这两个正温度系数热敏电阻5的并联连接具有1.2欧姆大小的最小电阻。然而，最小电阻也可以具有更大的值，例如1.48欧姆或者甚至更大的值。第二加热部分元件42构造为第三加热电阻器，优选地也以正温度系数热敏电阻的形式。电压25能够施加到两个加热部分元件的这种并联连接上。在非临界的、即低的温度下，该第三加热电阻器以低欧姆并联连接至两个正温度系数热敏电阻5，并且与单独设置两个正温度系数热敏电阻5的并联连接相比，如此导致互连部45的降低的最小电阻，并且因此导致在低电压25下的附加加热功率。如果热分布元件的温度由于施加更高的电压而增加并且其高于热分布元件的注塑包封的临界值，则当使用具有相对非常陡峭的调节特性(Abregelverhalten)的正温度系数热敏电阻作为第二加热部分元件或作为第三加热电阻器时，第三加热电阻器与两个正温度系数热敏电阻5的并联连接的连接实际上分离。通过第三加热电阻器的这种实际去耦，增加互连部45的有效最小电阻，由此降低加热功率，从而对于塑料注塑包封重要相关的、热分布元件的温度以期望的方式下降。在热平衡中，这在图6的曲线34中通过如下表示：随着电压的增加，加热功率接近水平线37。
图8示出具有替代的第二加热部分元件52的替代的加热元件互连部55，该替代的第二加热部分元件具有正温度系数热敏电阻50与开关元件54的串联连接。在该示例中，开关元件54构造为双金属接触部。替代的加热元件互连部55的替代的第二加热部分元件52如加热元件互连部45的第二加热部分元件42地与第一加热部分元件40并联连接。与根据图7的互连部不同，如果第三加热电阻器在高温下中断电连接，则通过双金属接触部实现第三加热电阻器50与第一加热部分元件40的分离。
图9示出另一替代的加热元件互连部65，其中替代的第二加热部分元件62与第一加热部分元件40串联连接。替代的第二加热部分元件62类似于根据图7的互连部45的第二加热部分元件地实施为具有朝向高温地相对非常陡峭的调节特性的正温度系数热敏电阻。
在此，必须根据注塑包封材料设置所有互连部变型方案中与温度相关的开关点。例如，对于HDPE能够设置80℃左右的开关点。
如果将第一加热部件元件40的最小电阻选择得小，例如1.48欧姆或1.2欧姆，则将由于小的最小电阻而造成的功率增加与所阐述的、第二加热元件的与温度相关的开关点(要么通过其固有的强调节的温度特性，要么通过明确设置的温度敏感的开关，例如双金属接触部)组合。尤其这样的组合导致非常接近最佳加热功率曲线的变化过程，如在图6中以曲线34所示。

Claims (22)

1.一种加热装置(3)，所述加热装置具有至少一个加热元件(6)且具有热分布元件(7)，所述至少一个加热元件能够电地运行，所述热分布元件与所述加热元件(6)热耦合，其中，所述加热元件(6)具有第一加热部分元件(40)，所述第一加热部分元件具有至少一个正温度系数热敏电阻(5)，其特征在于，所述第一加热部分元件(40)与第二加热部分元件(42，52，62)互连，所述第二加热部分元件设置用于，在大于标准电压的电压值的情况下降低所述加热装置(3)的加热功率与施加到所述加热元件(6)处的电压的相关性，其中，所述加热功率随着电压的增加而增加，然而，所述加热功率的增加随着电压的增加而变小。
2.根据权利要求1所述的加热装置，其特征在于，所述第一加热部分元件(40)具有两个并联连接的正温度系数热敏电阻(5)。
3.根据前述权利要求中任一项所述的加热装置，其特征在于，所述第二加热部分元件(42，52)与所述第一加热部分元件(40)并联连接。
4.根据权利要求3所述的加热装置，其特征在于，所述第二加热部分元件(42，52)具有带有大的调节特性的正温度系数热敏电阻，以这样的方式使得在大的电压的情况下电压的进一步增加几乎不引起所述加热功率的增加。
5.根据权利要求3所述的加热装置，其特征在于，所述第二加热部分元件(52)具有与温度相关的开关元件(54)。
6.根据权利要求5所述的加热装置，其特征在于，所述开关元件是双金属接触部。
7.根据权利要求1或2所述的加热装置，其特征在于，所述第二加热部分元件(62)与所述第一加热部分元件(40)串联连接。
8.根据权利要求7所述的加热装置，其特征在于，所述第二加热部分元件(62)具有带有大的调节特性的正温度系数热敏电阻，以这样的方式使得在大的电压的情况下所述电压的进一步增加几乎不引起所述加热功率的增加。
9.根据权利要求1或2所述的加热装置，其特征在于，所述第一加热部分元件(40)的电阻在所述电阻的温度曲线中具有小于1.5欧姆的最小值(Rmin)。
10.根据权利要求9所述的加热装置，其特征在于，所述最小值(Rmin)小于1.48欧姆。
11.根据权利要求10所述的加热装置，其特征在于，所述最小值(Rmin)约为1.2欧姆。
12.根据权利要求1或2所述的加热装置，其特征在于，所述热分布元件(7)是金属体。
13.根据权利要求1或2所述的加热装置，其特征在于，所述加热装置设置用于加热流体。
14.根据权利要求13所述的加热装置，其特征在于，所述流体是液体。
15.根据权利要求14所述的加热装置，其特征在于，所述流体是用于对内燃机的废气进行后处理的还原剂。
16.根据权利要求13所述的加热装置，其特征在于，所述加热装置设置成在结构上集成到输送模块中，所述输送模块用于从用于所述流体的储存器中泵出所述流体。
17.根据权利要求16所述的加热装置，其特征在于，由于将所述输送模块安装到所述储存器的底部中或所述储存器的接近底部的区域中，所述加热装置设置成所述加热装置永久地暴露于所述流体。
18.根据权利要求17所述的加热装置，其特征在于，所述加热装置以塑料进行注塑包封。
19.根据权利要求1所述的加热装置，其特征在于，所述标准电压为13伏。
20.根据权利要求12所述的加热装置，其特征在于，所述金属体是铸造金属体。
21.根据权利要求15所述的加热装置，其特征在于，所述还原剂是尿素水溶液。
22.根据权利要求18所述的加热装置，其特征在于，所述塑料是HDPE。
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