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Gebiet der Erfindung
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Diese Erfindung betrifft Verbrennungsmotoren, insbesondere Motoren für Motorfahrzeuge, die eine Harnstoffzumessung für die Nachbehandlung des Motorabgases anwenden.
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Hintergrund der Erfindung
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Die Wirkung eines Nachbehandlungssystems für einen Dieselmotor bei der Umwandlung von NOx in andere chemische Produkte durch selektive katalytische Reduktion (SCR) ist auf die Gegenwart von Ammoniak im Abgasstrom angewiesen. Die Dosierung des Motorabgases durch Einspritzen von wäßrigem Harnstoff, eines Reduziermittels auf Ammoniakbasis, in den Abgasstrom an einer Position, die sich stromauf vom SCR-Katalysator befindet, ist eine Möglichkeit, um Ammoniak in das Abgassystem einzuleiten.
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Um beim Motorstart zuverlässig die Umwandlung von im Motorabgas enthaltenem NOx in andere chemische Produkte durch eine katalytische Aktion zu beginnen, ist es erforderlich, daß ein Harnstoffdosierungssystem in so kurzer Zeit wie möglich wirksam wird. Eine bekannte Konstruktionspraxis positioniert einen Harnstoffinjektor an einer Position im Motorabgassystem, wo er oberhalb des SCR-Katalysators Harnstofflösung in den Abgasstrom sprühen kann, mit dem Ziel einer vollständigen Verdampfung der Lösung zu dem Zeitpunkt, zu dem sie den Katalysator erreicht. Unvollständige Verdampfung kann zu unerwünschten Ergebnissen führen, wie zur Bildung von festen Ablagerungen im Abgassystem und mangelhafter Wirkungsweise des Abgassystems.
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Wenn ein „kalter” Motor in warmen Umgebungstemperaturen gestartet wird, befindet sich in einem bordeigenen Harnstofftank gespeicherter wäßriger Harnstoff in der flüssigen Phase und ist deshalb ausreichend flüssig für das Pumpen zum Harnstoffinjektor.
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Weil der Harnstoffinjektor in das Abgassystem eindringt, beginnt er notwendigerweise Wärme von den vorbeiströmenden Abgasen aufzunehmen, sobald der Motor startet. Das ist typischerweise nicht unerwünscht, wenigstens bis zu dem Zeitpunkt, an dem es erforderlich wird, die Injektortemperatur wegen der Einwirkung deutlich überhöhter Abgastemperaturen zu begrenzen. Solche extrem hohen Temperaturen können auftreten, wenn ein stromauf von einem Injektor angeordneter Dieselpartikelfilter (DPF) regeneriert wird. Um den Temperaturanstieg des Injektors zu begrenzen, ist es bekannt, ein flüssiges Kühlmittel aus dem Kühlmittelsystem des Motors über interne Kühlmittelkanäle im Injektor zu leiten. Abhängig von den relativen Temperaturen der Motorabgase und des Motorkühlmittels, kann der Umlauf des Motorkühlmittels in jeder geeigneten Weise gesteuert werden, wie etwa durch ein Steuerventil, oder er kann ungesteuert und dadurch im wesentlichen kontinuierlich erfolgen.
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Die Anwendung des Motorkühlmittels für das thermische Management eines Harnstoffinjektors kann sich auch auf das thermische Management des Harnstofftanks und einer Versorgungspumpe erstrecken, die Lösung vom Tank zum Injektor pumpt. Das thermische Management der Pumpe und des Tanks ist wichtig, weil in einem Motorfahrzeug, wie einem LKW, die letztgenannten zwei Komponenten typischer Weise auf dem Fahrgestell des Motorfahrzeugs angebracht sind, wo die Harnstofflösung kontinuierlich der Umgebungstemperatur ausgesetzt ist. Bei kalten Umgebungstemperaturen nahe und unter –11°C (12°F) kann die Lösung im Tank, in der Pumpe und den zugeordneten Leitungen gefrieren, während sie bei sengenden Umgebungstemperaturen matschig wird, was ihre Wirksamkeit deutlich reduziert, wenn sie in das Nachbehandlungssystem eingespritzt wird.
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Gewisse amtliche bzw. gesetzliche Vorschriften, die auf bestimmte Fahrzeuge anwendbar sind, fordern, daß, wenn ein „kalter” Motor bei Umgebungstemperaturen gestartet wird, die ausreichend kalt sind, so daß die Harnstofflösung im Tank und/oder zugeordneten Leitungen und Komponenten vollständig und/oder teilweise gefroren ist, das Nachbehandlungssystem innerhalb gewisser Zeitvorgaben wirksam werden muß. Deshalb ist das Auftauen des gefrorenen Harnstoffs wesentlich, das andernfalls den Regelungsablauf nachteilig beeinflussen könnte.
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Es wurde vorgeschlagen, ein Heizelement in den Harnstofftank einzutauchen und es mit dem Motorkühlmittel zu durchspülen, um das Tauen der gefrorenen Lösung zu beschleunigen, so daß die flüssige Lösung von der Versorgungspumpe aus dem Tank gesaugt und zum Injektor gefördert werden kann, um in das Abgas gesprüht zu werden. Ein derartiger Tank umfaßt mehrere Öffnungen, einschließlich einer Kühlmittelauslaßöffnung, einer Kühlmitteleinlaßöffnung, einer Kühlmittelauslaßöffnung, einer Harnstoffansaugöffnung, einer Harnstoffrückflußöffnung und einer Belüftungsordnung.
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Das eingetauchte Heizelement steht im Wärmeaustausch mit dem Tankinhalt, um einen Abschnitt eines Kühlmittelströmungspfads zu bilden, der das Harnstoffdosierungssystem durchzieht, wobei sich der im Tank befindliche Abschnitt zwischen der Kühlmitteleinlaßöffnung und der Kühlmittelauslaßöffnung erstreckt. Das Motorkühlmittel aus dem Motorkühlsystem tritt in den Tank über die Kühlmitteleinlaßöffnung des Tanks ein und verläßt ihn über die Kühlmittelauslaßöffnung des Tanks. Nach dem Verlassen des Tanks kann der das Dosierungssystem durchziehende Kühlmittelpfad vor der Rückkehr zum Motor einen Kühlmitteldurchgang in der Versorgungspumpe durchqueren.
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Die Harnstoffansaugöffnung, die in typischer Weise an oder nahe der Oberseite des Tanks angeordnet ist, steht über eine Versorgungsleitung in einer Strömungsmittelkommunikation mit einer Ansaugöffnung der Versorgungspumpe. Ein Aufnahmerohr erstreckt sich innerhalb des Tanks von der Ansaugöffnung aus, um mit einer Mündung nahe dem Tankboden zu enden. Wenn die Versorgungspumpe in Betrieb ist, gestattet es die Belüftung des Tanks, Lösung vom Boden des Tanks und durch das Aufnahmerohr und dann durch die Versorgungsleitung anzusaugen. Eine Harnstoffauslaßöffnung ist über eine Injektorversorgungsleitung in Strömungsmittelkommunikation mit dem Harnstoffinjektor gebracht, um dafür zu sorgen, daß die vom Tank über die Versorgungspumpe abgezogene Lösung dem Injektor zugeführt wird.
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Die Erfinder haben beobachtet, daß ein Fehler eines vorgeschlagenen Dosiersystems mit maßgeblichen Kriterien für das Auftauen gefrorenen Harnstoffs zusammenhängt und entdeckten den Grund für diese Beeinträchtigung. Das Ergebnis ihrer Entdeckung hat sie dazu gebracht, eine Konstruktion für das Beschleunigen des Tauvorgangs durch eine wirkungsvollere Wärmeübertragung vom Motorkühlmittel zur Harnstofflösung im Dosiersystem vorzuschlagen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Demzufolge betrifft die vorliegende Erfindung allgemein eine Verbesserung des thermischen Managements eines Dosiersystems, das eine Dosierflüssigkeit oder ein Dosiermittel an ein Nachbehandlungssystem für die Motorabgase liefert, insbesondere eine Verbesserung zur Schnellaufheizung gewisser Komponenten des Dosiersystems in einem Kraftfahrzeug, wo diese Komponenten und/oder ihnen zugeordnete Leitungen den Umgebungstemperaturen ausgesetzt sind, die bisweilen so niedrig sind, daß die Dosierflüssigkeit im Dosiersystem gefrieren kann.
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Die Erfindung erreicht, daß die Wärme des Motorkühlmittels wirkungsvoller auf die Dosierflüssigkeit übertragen wird, wodurch bei unter den Gefrierpunkt liegenden Umgebungstemperaturen das Tauen der gefrorenen Lösung beschleunigt wird, was einen wichtiger Faktor für die Anpassung eines Nachbehandlungssystems an die in Betracht kommenden amtlichen Vorschriften darstellt.
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Die offenbarte Ausführungsform der Erfindung ist ein Harnstoffdosiersystem, das wäßrigen Harnstoff in das Nachbehandlungssystem stromauf von einem SCR-Katalysator einleitet, was der Förderung der chemischen Reaktion des eingesprühten Reduziermittels mit dem NOx im Motorabgas dient, um letzteres in andere chemische Stoffe umzuwandeln, bevor das Abgas in die Atmosphäre gelangt.
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Die Erfindung, wie sie insbesondere auf entsprechende Leitungen angewandt wird, über die Kühlmittel in einen Harnstofftank eintritt und Harnstofflösung aus diesem austritt, widmet sich verschiedenen Situationen, die auftreten können, wenn der Motor unter kalten Umgebungsbedingungen abgestellt wird, wobei ein typisches Beispiel die Ansammlung und das mögliche Gefrieren von Tröpfchen der Harnstofflösung und die Kondensation von Wasser in der als ein Harnstoffaufnahmerohr dienenden Leitung ist.
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Ein allgemeiner Aspekt der Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor, der Brennkammern umfaßt, in denen zum Betrieb des Motors Kraftstoff verbrannt wird, ein Kühlsystem, das eine Kühlmittelpumpe einschließt, um einen Kreislauf von flüssigem Motorkühlmittel über den Motor zu erzeugen, ein Abgasnachbehandlungssystem, durch welches Verbrennungsprodukte aus den Brennkammern in die Atmosphäre befördert werden, ein Dosiersystem zur Einleitung einer Dosierflüssigkeit in das Abgasnachbehandlungssystem zur Verwendung bei einem im Abgasnachbehandlungssystem durchgeführten Abgasnachbehandlungsverfahren.
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Das Dosiersystem umfaßt eine mit einer wärmeleitenden Wandung zur Förderung der Dosierflüssigkeit zu einer Einleitungsstelle in das Abgasnachbehandlungssystem versehene Leitung für die Dosierflüssigkeit und einen Kühlmittelkreislauf, durch den flüssiges Motorkühlmittel in wärmeleitender Beziehung zu wenigstens einem Teil des Dosiersystems zirkuliert. Ein Teil des Kühlmittelkreislaufs umfaßt eine Kühlmittelleitung, durch die Motorkühlmittel gefördert wird und die eine wärmeleitende Wandung besitzt, die in Bezug auf die wärmeleitfähige Wandung der Leitung für die Dosierflüssigkeit Seite an Seite angeordnet und physikalisch zugeordnet ist, um einen Wärmeleitpfad für die Wärmeübertragung durch Leitung zwischen dem relativ heißeren Kühlmittel in der Kühlmittelleitung zur relativ kühleren Dosierflüssigkeit in der Leitung für die Dosierflüssigkeit zu bilden.
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Ein anderer allgemeiner Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beheizen einer Harnstofflösung in fester oder flüssiger Phase in einer Harnstoffversorgungsleitung, die eine wärmeleitende Wandung besitzt und durch die Harnstofflösung in flüssiger Phase aus einem Tank an eine Einsatzstelle in einem Nachbehandlungssystem für Motorabgas abgegeben wird, über das Verbrennungsprodukte von den Brennkammern des Motors zur Atmosphäre gefördert werden.
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Das Verfahren umfaßt die Zirkulation eines flüssigen Motorkühlmittels über eine Kühlmittelleitung, die eine wärmeleitende Wandung besitzt und Seite an Seite und in physikalischer Verbindung mit der wärmeleitfähigen Wandung der Harnstoffversorgungsleitung angeordnet ist, um einen Wärmeleitpfad für die Wärmeübertragung zwischen dem Kühlmittel in der Kühlmittelleitung und dem Harnstoff in der Harnstoffversorgungsleitung zu bilden.
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Das Vorstehende wird zusammen mit weiteren Merkmalen und Vorteilen der Erfindung aus der folgenden Offenbarung einer gegenwärtig bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ersichtlich, die die derzeit als beste Weise zur Ausführung der Erfindung erachtet wird. Diese Beschreibung schließt eine Zeichnung ein, die nun kurz wie folgt erläutert wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist eine allgemeine schematische Übersicht über einen Dieselmotor einschließlich eines Kühlsystemabschnitts, eines Abgasnachbehandlungsabschnitts, und Dosierungskomponenten für die Nachbehandlung gemäß den Prinzipen der vorliegenden Erfindung.
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2 ist eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts einer der Dosierungskomponenten, die zum Zwecke der Erläuterung von dieser Komponente getrennt wurde.
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3 ist eine Querschnittsansicht in Richtung der Pfeile 3-3 in 2.
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4 ist eine der 3 ähnliche Ansicht, die eine abgewandelte Form zeigt.
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5 ist eine der 3 ähnliche Ansicht, die eine andere abgewandelte Form zeigt.
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6 ist eine der 3 ähnliche Ansicht, die noch eine andere abgewandelte Form zeigt.
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Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
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Die 1 zeigt einen Dieselmotor 10, der ein Einlaßsystem 12 umfaßt, durch das Ladeluft eintritt, und ein Auspuffsystem, durch das aus der Verbrennung resultierendes Abgas austritt, wobei nicht alle Einzelheiten der beiden Systeme, die derzeit typisch sind, dargestellt sind. Der Dieselmotor 10 umfaßt eine Anzahl von Zylindern 16, die Brennkammern bilden, in die Kraftstoff durch Kraftstoffinjektoren eingespritzt wird, um mit der über das Einlaßsystem 12 eingetretenen Ladeluft verbrannt zu werden. Die durch die Verbrennung freigesetzte Energie treibt den Motor über mit einer Kurbelwelle verbundene Kolben an. Bei der Anwendung zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs, wie eines Lastkraftwagens, wird der Motor 10 über einen Getriebezug mit das Fahrzeug bewegenden Antriebsrädern verbunden. Einlaßventile steuern den Eintritt der Ladeluft in die Zylinder 16 und Auslaßventile steuern den Abfluß der Abgase über das Abgassystem 14 und schließlich in die Atmosphäre. Vor dem Eintritt in die Atmosphäre wird jedoch das Abgas durch eine oder mehrere Nachbehandlungsvorrichtungen in einem Nachbehandlungssystem 18 behandelt.
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Eine derartige Nachbehandlungsvorrichtung ist ein SCR-Katalysator 20. Eine Harnstoffeinspritzvorrichtung 22 ist an einem stromauf vom Katalysator 20 gelegenen Abschnitt des Abgassystems 14 derart angeordnet, daß ihre Mündung oder Düse wässerigen Harnstoff in das Abgassystem einsprüht, um dort von dem aus den Zylindern 16 kommenden Motorabgasen mitgerissen und durch Verdampfung vollständig vermischt zu werden. Der Katalysator 20 fördert im Abgas eine chemische Reaktion zwischen dem Reduktionsmittel und NOx, die wesentliche Mengen des NOx in andere Stoffe umwandelt, bevor das Abgas in die Atmosphäre übergeht.
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Ein Tank 24 enthält einen Vorrat an wäßrigem Harnstoff und wird über eine (nicht gezeigte) Belüftungsöffnung angemessen belüftet, um es zu ermöglichen, daß die Lösung über eine Harnstoffauslaßöffnung 26 abgesaugt wird. Eine Leitung 28 erstreckt sich von der Öffnung 26 zu einer Einlaßöffnung 30 eines Versorgungspumpenmoduls 32. Eine Leitung 34 verläuft von einer Auslaßöffnung 36 des Versorgungspumpenmoduls 32 zu einem Einlaß 38 der Einspritzvorrichtung 22.
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Wenn das Versorgungspumpenmodul 32 in Betrieb ist, zieht es Lösung aus dem Tank 24 über die Leitung 28 ab und pumpt die Lösung über die Leitung 34 zur Einspritzvorrichtung 22, wobei eine Rückflußleitung 40 überschüssige Lösung zum Tank 24 zurückführt.
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Der Motor 10 umfaßt weiter ein Flüssigkeitskühlsystem 42, über das mittels einer Pumpe Motorkühlmittel 44 umgewälzt wird. Zwei Leitungen 46, 48 sind der Pumpe 44 zugeordnet, um Motorkühlmittel über einen Kühlmittelkanal in der Einspritzvorrichtung 22 in Umlauf zu führen. Drei weitere Leitungen 50, 52, 54 sind der Pumpe 44 zugeordnet, um Motorkühlmittel über eine Kühlmittelkanal eines Heizelements 55 in Umlauf zu führen, das durch das Innere des Tanks 24 verläuft und mit der Lösung im Tank in einer Wärmeaustauschbeziehung steht, und dann über einen Kühlmittelkanal im Pumpenmodul 32.
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Die Leitung 50 stellt eine Verbindung zu einer Kühlmitteleinlaßöffnung 56 des Tanks 24 her. Die Leitung verbindet eine Kühlmittelauslaßöffnung 58 des Tanks 24 mit einer Kühlmitteleinlaßöffnung 60 des Pumpenmoduls 32. Die Leitung 52 führt das Kühlmittel von einer Kühlmittelauslaßöffnung 62 des Pumpenmoduls 32 zum Motorkühlsystem 42 zurück.
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Die Saugseite der Pumpe 44 wirkt über die Leitungen 48 und 52 saugend auf eine Kühlmittelauslaßöffnung der Einspritzvorrichtung 22 und die Öffnung 62 ein.
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Die auf die Kühlmittelauslaßöffnung der Einspritzvorrichtung 22 ausgeübte Saugwirkung ist effektiv zum Abziehen von Kühlmittel aus dem Motor über die Leitung 46, einen Kühlmittelkanal oder Kühlmittelkanäle im Körper der Einspritzvorrichtung 22 und zurück zum Motor über die Leitung 48. Die auf die Kühlmittelauslaßöffnung 62 ausgeübte Saugwirkung ist effektiv zum Abziehen von Kühlmittel aus dem Motor über die Leitung 50, über den das Heizelement 55 enthaltenden Kühlmittelkanal im Tank 24, über die Leitung 54, über den Kühlmittelkanal im Pumpenmodul 32 und dann zurück zum Motor über die Leitung 52.
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Die 2 und 3 zeigen eine obere Wand 64 des Tanks 24, einen sich von der Wand 64 vertikal abwärts erstreckenden Abschnitt 66 des Heizelements 55 und einen Abschnitt eines Harnstoffaufnahmerohrs 68, der sich ebenfall von der oberen Wand 64 aus abwärts erstreckt. Die Zeichnung zeigt nicht die Anschlußstücke, die Verbindungspunkte auf beiden Seiten der oberen Wand aufweisen, um für jede äußere Leitung eine Strömungsverbindung über das entsprechende Anschlußstück mit der entsprechenden inneren Leitung herzustellen, beispielsweise um die Leitungen 50 und 66 zu verbinden, damit Strömungsmittel die obere Wand durchqueren kann.
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Das Heizelement 55 ist im wesentlichen ein Rohr, das eine Gestaltung aufweist, die der Gestaltung des Tankinneren angepaßt ist. Beispielsweise kann der Abschnitt 66 sich abwärts bis fast zur Bodenwand des Tanks erstrecken, wo er mit einem im allgemeinen horizontalen Bodenabschnitt verbunden ist, der sich seitlich entweder geradlinig oder gekrümmt bis zu einem vertikalen Auslaßabschnitt erstreckt, der aufwärts bis zur Rückwand 64 verläuft, obwohl der Boden- und der Auslaßabschnitt in 2 nicht gezeigt sind.
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Nach dem erfindungsgemäßen Prinzip wird Wärme wirksamer von dem in den Tank 24 an der Einlaßöffnung 56 eintretenden, relativ wärmeren Motorkühlmittel auf die relativ kühlere (entweder gefrorene oder flüssige) Harnstofflösung im Aufnahmerohr 68 dadurch übertragen, daß dieses aus einem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit gefertigt ist und daß ihre wärmeleitfähigen Wandungen einander physikalisch verbunden Seite an Seite derart zugeordnet sind, daß sie einen Wärmeleitpfad für die Wärmeübertragschnitt zwischen dem Kühlmittel im Abschnitt 66 und dem Harnstoff im Aufnahmerohr 68 bilden. Die 2 zeigt, daß die entsprechenden Strömungen im Gegenstrom verlaufen.
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Die Herstellung des Wärmeleitpfades kann auf verschiedene Weisen erfolgen, von denen verschiedene in den 3–6 gezeigt sind.
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Die 3 zeigt die zwei Abschnitte, die aneinander anliegend durch eine Verfahrensweise verbunden wurden, bei welcher das Material gerade ausreichend erhitzt wurde, um sie leicht anzuschmelzen und sie nach Entfernung der Hitze verbunden zu halten.
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Die 4 zeigt die zwei Abschnitte, die an einander anliegend durch Schweißen verbunden sind, wobei das Schweißgut 70 den Grund der einander gegenüberliegenden, durch das Anlegen gebildeten Kerben ausfüllt.
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Die 5 zeigt die zwei Abschnitte, die ebenfalls durch Schweißen verbunden sind, wobei jedoch etwas im wärmeleitenden Pfad angeordnetes Schweißgut 70 sie von ihrem Kontakt von Oberfläche zu Oberfläche trennt.
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Die 6 zeigt die zwei Abschnitte, die durch ein Koextrusionsverfahren während der Fertigung einstückig verbunden sind.
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Es sollte bei allen diesen Beispielen beachtet werden, daß die Wärmeübertragung vollständig durch Wärmeleitung über massives Material erfolgt, ein Verfahren, das Wärme beachtlich schneller überträgt als alternative Verfahren. Deshalb tritt ein schnelles Erhitzen der Harnstofflösung sowohl in fester (gefrorener) als auch in flüssiger Phase auf.
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Während eine derzeit bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dargestellt und beschrieben wurde, sollte berücksichtigt werden, daß die Erfindungsprinzipien auf alle Ausführungsformen zutreffen, die in den Bereich der folgenden Ansprüche fallen.
