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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Heizsystem für einen Tankbehälter und einen beheizbaren Tankbehälter mit einem solchen Heizsystem.
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Es ist bekannt, den Abgasen eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Dieselmotors, zur Reduzierung von in den Abgasen vorhandenen Schadstoffen, wie z. B. Stickoxiden, ein Fluid, wie z. B. eine wässrige Harnstofflösung, beizufügen. Ein solches Fluid gefriert bei niedrigen Umgebungstemperaturen und der Gefrierpunkt kann durch die Zugabe von Additiven nur in einem begrenzten Bereich abgesenkt werden, ohne die Wirksamkeit des Fluids bei der Abgasnachbehandlung negativ zu beeinflussen.
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Um die Betriebssicherheit auch bei niedrigen Umgebungstemperaturen zu gewährleisten, ist es daher erforderlich, das Fluid in einem beheizbaren Tankbehälter zu lagern. Durch Beheizen des Tankbehälters kann ein Einfrieren des Fluids verhindert werden und/oder eingefrorenes Fluid kann durch Beheizen des Tankbehälters aufgetaut werden.
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Es ist bekannt, eine elektrische Heizung zum Beheizen des Tankbehälters zu verwenden. Nachteilig bei den bekannten Heizsystemen ist, dass die maximale Heizleistung des Heizsystems bereits zu einem frühen Zeitpunkt der Produktentwicklung festgelegt werden muss. Dabei muss der höchstmögliche Bedarf an Heizleistung zu Grunde gelegt werden, so dass die Gefahr besteht, dass das Heizsystem für eine Vielzahl von Einsatzbereichen überdimensioniert und daher unökonomisch ist.
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Aus der
DE 10 2008 015 599 A1 ist eine Auftauvorrichtung für ein flüssiges schadstoffverminderndes Medium mit einer Strahlenquelle bekannt.
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Die
DE 10 2006 046 900 A1 beschreibt ein Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine, bei dem ein flüssiges Reduktionsmittel in einem Tank mit einem Innenbehälter und einem Außenbehälter bevorratet ist.
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Die
EP 1 473 447 A1 offenbart einen Flüssigkeitsbehälter für Kraftfahrzeuge, insbesondere für eine wässrige Harnstofflösung.Offenbarung der Erfindung
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Heizsystem für einen Fahrzeug-Tankbehälter zur Verfügung zu stellen, dessen maximale Heizleistung variabel an die jeweiligen Bedürfnisse, die sich bspw. aus dem vorgesehenen Einsatzgebiet des Fahrzeugs ergeben, anpassbar ist.
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Die Aufgabe wird durch ein modulares Heizsystem zum Beheizen eines Tankbehälters nach dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen eines erfindungsgemäßen Heizsystems und einen Tankbehälter mit einem solchen Heizsystem.
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Ein erfindungsgemäßes Heizsystem weist eine wählbare Anzahl voneinander unabhängiger Heizmodule auf, die von außen an dem Tankbehälter anbringbar sind.
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Durch den modularen Aufbau des Heizsystems mit einer variablen Anzahl an Heizmodulen ist das System in einem weiten Bereich skalierbar. Die Anzahl der Module, die an den Tankbehälter montiert werden, bestimmt sich aus der geforderten Heizleistung, die sich im Wesentlichen aus dem vorgesehenen Einsatzgebiet des Fahrzeugs ergibt. So kann bei Tankbehältern für Fahrzeuge, die in kalten Klimaregionen eingesetzt werden sollen, problemlos eine größere Anzahl an Heizmodulen verwendet werden. Bei Tankbehältern, die für Fahrzeuge vorgesehen sind, die in warmen Klimaregionen eingesetzt werden sollen, kann eine geringere Anzahl an Modulen verwendet werden, um Kosten zu sparen. Durch den modularen Aufbau ist dabei kein Neu- bzw. Redesign des Heizsystems notwendig, es können vielmehr, unabhängig von der Heizleistung des Systems, stets die gleichen Bauelemente verwendet werden, die je nach Bedarf unterschiedlich zusammengestellt werden.
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Dadurch, dass die Heizmodule von außen an dem Tankbehälter anbringbar sind, werden keine stromführenden Teile in das Innere des Tankbehälters, in dem sich im Betrieb ein elektrisch leitfähiges Fluid, wie z. B. eine wässrige Harnstofflösung befindet, eingebracht. Die Heizelemente und ihre elektrischen Anschlüsse müssen daher zwar gegen Spritzwasser geschützt, aber nicht vollständig fluiddicht abgeschlossen sein. Dadurch lassen sich die Kosten für die verwendeten Heizelemente reduzieren.
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Dabei ist eine Heizendstufe, die vorzugsweise eine elektrische Leistungsendstufe umfasst, in das Heizmodul integriert. Die Integration einer Heizendstufe in ein Heizmodul ermöglicht einen besonders einfachen modularen Aufbau des Heizsystems mit einer beliebigen Anzahl an Heizmodulen, da bei einer Integration der Heizendstufen in die Heizmodule keine externe Endstufenbox vorzusehen ist, die entsprechend der Anzahl der verwendeten Heizmodule dimensioniert und an die Größe des jeweiligen Heizsystems angepasst werden müsste. Heizmodule mit integrierter Heizendstufe lassen sich daher besonders einfach mit einem externen Steuergerät zu einem modularen Heizsystem beliebiger Größe kombinieren.
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Dabei kann eine Steuerschaltung, die beispielsweise einen Temperatursensor umfasst, in die Heizendstufe integriert sein, so dass das Heizmodul autonom, d.h. ohne mit einer externen Steuerung verbunden zu sein, betrieben werden kann. Dadurch wird die Kombinierbarkeit einer beliebigen Anzahl an Heizmodulen zu einem Heizsystem beliebiger Größe noch weiter vereinfacht. Auch wird die Betriebssicherheit des Heizsystems erhöht, da das Heizsystem unabhängig von einer zentralen Steuerung betreibbar ist. Da jedes der Heizmodule in einem solchen System unabhängig von den anderen Heizmodulen arbeitet, führt die Störung bzw. der Ausfall eines der Heizmodule nicht zu einem vollständigen Ausfall des Heizsystems. Der Tankbehälter ist durch die verbleibenden, nicht gestörten Heizmodule weiter beheizbar.
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In einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen modularen Heizsystems sind alle Heizmodule gleichartig. Ein modulares Heizsystem mit gleichartigen Heizmodulen ist besonders kostengünstig herstellbar.
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In einer Ausführungsform enthalten die Heizmodule jeweils wenigstens ein PTC-Element (PTC = positive temperature coefficient). PTC-Elemente stellen kostengünstige und wartungsarme Heizelemente mit einem guten Wirkungsgrad zur Verfügung.
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In einer Ausführungsform ist das PTC-Element als PTC-Folie ausgebildet. Durch die Verwendung einer PTC-Folie lassen sich besonders flache Heizmodule herstellen, die das äußere Volumen des Tankbehälters nicht wesentlich vergrößern bzw. bei einem vorgegebenen Einbauraum, der in dem Kraftfahrzeug für den Tankbehälter zur Verfügung steht, eine Maximierung des für das Fluid zur Verfügung stehenden Tankvolumens ermöglichen.
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In einer Ausführungsform ist zwischen dem Tankbehälter und dem PTC-Element eine Metallfolie mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit vorgesehen. Durch den Einsatz einer Metallfolie, die eine hohe Wärmeleitfähigkeit hat, kann eine gute thermische Ankopplung des PTC-Elements an den Tankbehälter bereitgestellt werden. Optional kann die Metallfolie mit einem Wärme leitenden Kunststoffüberzug versehen sein.
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In einer Ausführungsform ist auf der von dem Tankbehälter abgewandten Seite des PTC-Elements eine thermische Isolationsschicht vorgesehen. Durch eine thermische Isolationsschicht kann die Effektivität des Heizmoduls verbessert werden, da die Abgabe von Wärme an die Umgebung des Tankbehälters verhindert oder zumindest reduziert wird.
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In einer Ausführungsform ist das Heizmodul zumindest teilweise mit Kunststoff überzogen. Ein Kunststoffüberzug aus einem geeigneten Kunststoffmaterial isoliert das Heizmodul vor schädlichen äußeren Einflüssen, wie z. B. Feuchtigkeit, und kann bei einer geeigneten Ausgestaltung das Heizmodul auch vor äußeren mechanischen Einflüssen, wie z. B. Steinschlag, schützen.
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Die Erfindung umfasst auch einen Tankbehälter mit einem erfindungsgemäßen Heizsystem. Ein solcher Tankbehälter ermöglicht es, ein Fluid zu lagern und dabei ein Einfrieren des Fluids durch Beheizen des Tankbehälters zu verhindern oder eingefrorenes Fluid durch Beheizen des Tankbehälters wieder aufzutauen. Die Leistung des Heizsystems kann dabei durch den modularen Aufbau des Heizsystems sehr einfach und variabel an den jeweiligen Bedarf angepasst werden. Das Heizsystem muss nicht bereits bei der Produktentwicklung auf den größten denkbaren Bedarf an Heizleistung ausgerichtet werden.
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In einer Ausführungsform ist wenigstens ein Heizmodul an einer Seitenwand des Tankbehälters angebracht. Durch ein seitlich an dem Tankbehälter angebrachtes Heizmodul wird ein Unterdruck bei der Fluidentnahme auch dann verhindert, wenn ein Teil des Fluids gefroren ist, da durch ein seitlich angebrachtes Heizmodul ein Auftauen gefrorenen Fluids entlang der Seitenwand des Tankbehälters bewirkt und so eine Fluidverbindung zwischen der Oberseite und der Unterseite des Tankbehälters bereitgestellt wird.
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In einer Ausführungsform ist an dem Tankbehälter wenigstens eine Halterung zur Aufnahme eines Heizmoduls vorgesehen. Durch eine an dem Tankbehälter vorgesehene Halterung zur Aufnahme eines Heizmoduls lässt sich ein Heizmodul besonders einfach und sicher an dem Tankbehälter befestigen und bei Bedarf austauschen.
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In einer Ausführungsform sind an dem Tankbehälter mehrere Halterungen zur Aufnahme jeweils eines Heizmoduls vorgesehen. Eine Anzahl von Halterungen, von denen jede zur Aufnahme jeweils eines Heizmoduls vorgesehen ist, unterstützt den modularen Aufbau des Heizsystems und ermöglicht es, genau so viele Heizmodule an dem Tankbehälter zu befestigen, wie erforderlich sind, um die gewünschte Heizleistung bereitzustellen.
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In einer Ausführungsform ist ein Heizmodul und/oder eine Halterung mit dem Tankbehälter verschraubt. Verschrauben ermöglicht eine besonders sichere und wieder lösbare Verbindung des Heizmoduls mit dem Tankbehälter, wodurch das Heizmodul bei Bedarf besonders einfach ausgetauscht werden kann.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Figuren näher beschrieben. Dabei zeigt:
- 1 einen Tankbehälter mit einem erfindungsgemäßen modularen Heizsystem;
- 2 eine vergrößerte Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Heizmoduls; und
- 3 eine Schnittdarstellung eines mit Hilfe einer Halterung an einem Tankbehälter befestigten Heizmoduls.
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1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Tankbehälters 2 mit einem Heizsystem, das mehrere Heizmodule 4 aufweist.
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Der Tankbehälter 2 wird von einer Tankbegrenzung 3 begrenzt und hat in der gezeigten Schnittansicht einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt. Unterhalb des Bodens 5 und damit außerhalb des Tankbehälters 2 sind drei Heizmodule 4 angebracht, deren dem Tankbehälter 2 zugewandte Oberseite jeweils im Kontakt mit dem Boden 5 des Tankbehälters 2 steht. An der in der 1 rechts dargestellten Seitenwand des Tankbehälters 2 sind übereinander zwei Heizmodule 4 angebracht, deren dem Tankbehälter 2 zugewandte Seite jeweils im Kontakt mit der rechten Seitenwand des Tankbehälters 2 steht.
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Die Heizmodule 4 enthalten jeweils ein PTC-Element 6, das über in der 1 nicht gezeigte elektrische Anschlussleistungen mit elektrischer Energie versorgt werden kann. Jedes der PTC-Heizelemente hat bspw. eine Leistung von 43,5 W bei einer Spannung von 13,5 V.
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Die Heizmodule 4 sind so aufgebaut, dass zwischen dem jeweiligen PTC-Element 6 und der Begrenzung 3 des Tankbehälters 2 eine Metallfolie 8 angeordnet ist. Die Metallfolie 8 hat eine besonders gute Wärmeleitfähigkeit und ermöglicht eine gute Wärmeübertragung von dem PTC-Element 6 auf die Begrenzung 3 des Tankbehälters 2. Auf der dem Tankbehälter 2 abgewandten Seite jedes PTC-Elements 6 ist jeweils eine Isolationsschicht 10 ausgebildet, welche die von dem PTC-Element 6 an die Umgebung abgegebene Wärme, die nicht zum Beheizen des Tankbehälters 2 zur Verfügung steht und daher Verlustwärme darstellt, begrenzt. Insbesondere kann die Isolationsschicht 10 wärmereflektierend ausgebildet sein, so dass sie von dem PTC-Element nach außen abgegebene Wärme in Richtung auf den Tankbehälter 2 reflektiert und diese Wärme zusätzlich zum Beheizen des Tankbehälters 2 zur Verfügung steht.
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Die Metallfolie 8, das PTC-Heizelement 6 und die Isolationsschicht 10 bilden eine quaderförmige Schichtstruktur (Sandwich-Struktur), die an wenigstens fünf der sechs Seiten des Quaders mit einer Kunststoffschicht 12 überzogen ist. Die Kunststoffschicht 12 dichtet das Heizmodul 4 ab und schützt es vor schädlichen äußeren Einflüssen, wie z.B. Schmutz, Feuchtigkeit und/oder Steinschlag.
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2 zeigt eine vergrößerte Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Heizmoduls 4. Das Heizmodul 4 weist eine Schichtstruktur auf, die eine Metallfolie 8, eine PTC-Heizschicht, insb. eine PTC-Heizfolie 6, und eine Isolationsschicht 10 einschließt. Das Heizelement 4 ist seitlich und auf der von der PTC-Schicht 6 abgewandten Seite der Isolationsschicht 10 mit einer Kunststoffschicht 12 überzogen, die das Heizmodul 4 vor schädlichen äußeren Einflüssen schützt.
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Die von der PTC-Schicht 6 abgewandte Seite der Metallfolie 8, an der das Heizmodul 4 an der Begrenzung 3 eines Tankbehälters 2 befestigt wird, kann ebenfalls mit einem Kunststoffüberzug versehen sein, der Wärme leitend ausgebildet ist, um eine gute Übertragung der von der PTC-Schicht 6 erzeugten Wärme an den Tankbehälter 2 zu ermöglichen. Alternativ kann die Verbindung zwischen der Metallfolie 8 des Heizmoduls 4 und der Begrenzung 3 des Tankbehälters 2 ohne Kunststoffschicht ausgebildet sein, um eine besonders gute und verlustarme Wärmeübertragung von den Heizmodul 4 an den Tankbehälter 2 zu ermöglichen.
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An dem Heizmodul 4 ist eine Heizendstufe 18 angebracht. Die Heizendstufe 18 versorgt das PTC-Element 6 mit Energie aus einer externen, nicht gezeigten Stromquelle. Über eine Steuerleitung 20 ist die Heizendstufe 18 ansteuerbar, um das PTC-Element 6 ein- und auszuschalten. Die Heizendstufe 18 kann auch so ausgebildet sein, dass die Leistung des PTC-Elementes 6 in Stufen oder stufenlos regelbar ist.
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Die Integration der Heizendstufe 18 mit dem Heizmodul 4 ermöglicht einen besonders einfachen modularen Aufbau des Heizsystems mit einer beliebigen Anzahl an Heizmodulen 4, da bei einer Integration der Heizendstufen 18 in die Heizmodule 4 keine externe Endstufenbox vorzusehen ist, die an die Anzahl der verwendeten Heizmodule 4 angepasst werden müsste. Heizmodule 4 mit integrierter Heizendstufe 18 lassen sich daher besonders einfach mit einem externen Steuergerät zu einem modularen Heizsystem beliebiger Größe kombinieren.
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Heizmodule 4 mit integrierter Heizendstufe 18 ermöglichen auch einen besonders einfachen Austausch bestehender Heizsysteme gegen ein neues, erfindungsgemäßes modulares Heizsystem. 3 zeigt in einer Schnittdarstellung ein Ausführungsbeispiel einer Halterung 14 zur Montage eines Heizmoduls 4 an der Begrenzung 3 eines Tankbehälters 2. Die Halterung 14 ist z.B. als Metall- oder Kunststoffteil mit einem im Querschnitt U-förmigen Profil ausgebildet, das so dimensioniert ist, dass ein erfindungsgemäßes Heizmodul 4 in das Profil einsetzbar ist. Am Rand des Profils sind Befestigungslaschen 15 vorgesehen, wobei in jeder der Befestigungslaschen 15 jeweils eine Öffnung zur Durchführung eines Befestigungselements 16, das z. B. eine Schraube, ein Gewindebolzen oder eine Niete ist, ausgebildet ist.
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In der Begrenzung 3 des Tankbehälters 2 sind geeignete Öffnungen zur Aufnahme jeweils eines der Befestigungselemente 16 vorgesehen. Durch solche Befestigungselemente 16 lässt sich ein Heizmodul 4 besonders einfach und sicher an dem Tankbehälter 2 befestigen. Insbesondere kann, wenn die Befestigungselemente 16 als lösbare Befestigungselemente 16, wie z. B. Schrauben, ausgebildet sind, das Heizmodul 4 einfach wieder von dem Tankbehälter 2 entfernt werden, z.B. wenn es gewartet und/oder ausgetauscht werden muss oder die Leistung des Heizsystem reduziert werden soll.
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In einem alternativen Ausführungsbeispiel sind die Heizmodule 4 durch eine nicht einfach lösbare Verbindung, wie z.B. eine hitzebeständige Klebeverbindung, dauerhaft an dem Tankbehälter 2 befestigt.
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Bei an dem Tankbehälter 2 befestigbaren Halterungen 14 gemäß dem in der 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist es möglich, nur so viele Halterungen 14 zu verwenden und an dem Tankbehälter 2 zu befestigen, wie zur Befestigung der vorgesehenen Anzahl an Heizmodulen 4 notwendig sind. Die Produktion und Montage von Halterungen 14, die in der vorgesehenen Ausbaustufe des Heizsystems nicht verwendet werden, kann so vermieden werden und die Kosten für das Heizsystem können gering gehalten werden.
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Alternativ können die Halterungen 14 bereits bei der Produktion des Tankbehälters 2 in dessen Begrenzung 3 ausgebildet werden, z.B. indem entsprechende Negativformen der Halterungen 14 in einer zur Herstellung des Tankbehälters 2 verwendeten Form ausgebildet sind. Dies hat den Vorteil, dass die Arbeitsschritte, die zur Produktion und nachträglichen Befestigung der Halterungen 14 an dem Tankbehälter 2 notwendig sind, eingespart werden können.
