DE102011057017A1 - Heating assembly for heating e.g. ammonia in ammonia storage and delivery system for diesel engine of lorry, has coupling layer arranged in circumference gap between sleeve wall and cartridge wall for thermal and/or mechanical coupling - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Heizbaugruppe gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und ein Verfahren zum Herstellen einer Heizbaugruppe. The invention relates to a heating assembly according to the preamble of claim 1 and a method for producing a heating assembly.
Aufgrund der weltweit immer strenger werdenden Emissionsvorschriften für Stickoxide müssen von der Automobilindustrie verstärkte Anstrengungen unternommen werden, um die Stickoxid-Emissionen in den Abgasen von Verbrennungsmotoren, beispielsweise Dieselmotoren zu senken. Insbesondere bei Dieselmotoren für Lastkraftwagen sowie zunehmend auch bei PKW-Motoren wird häufig eine Abgasreinigung nach dem so genannten SCR-Verfahren (Selective Catalytic Reduction) durchgeführt. Dabei werden die Stickoxide in einem Katalysator mit einem geeigneten Reduktionsmittel chemisch in die ökologisch unbedenklichen Substanzen Stickstoff und Wasser umgesetzt. Als Reduktionsmittel wird dampf- bzw. gasförmiger Ammoniak verwendet, der beispielsweise aus einer wässrigen Harnstofflösung erzeugt und in den Abgasstrom eingebracht wird. Due to the ever-stricter emissions regulations for nitrogen oxides, more and more efforts have to be made by the automotive industry to reduce nitrogen oxide emissions in the exhaust gases of internal combustion engines, for example diesel engines. Particularly in diesel engines for trucks and increasingly also in passenger car engines, exhaust gas purification is often carried out according to the so-called SCR (Selective Catalytic Reduction) method. The nitrogen oxides in a catalyst with a suitable reducing agent are chemically converted into the ecologically harmless substances nitrogen and water. As a reducing agent vapor or gaseous ammonia is used, which is generated for example from an aqueous urea solution and introduced into the exhaust gas stream.
Unter „AdBlue®“ wird ein System angeboten, bei dem eine wässrige Harnstofflösung mit einem Harnstoffgehalt von etwa 32,5 Gewichtsprozent zur Reduzierung der Stickoxid-Emission in Kraftfahrzeugen verwendet wird. "AdBlue ® " is a system that uses an aqueous urea solution with a urea content of about 32.5 percent by weight to reduce emissions of nitrogen oxides in motor vehicles.
Unter dem Kürzel „ASDS“ (Ammonia Storage and Delivery System) wird ein SCR-System angeboten, bei dem anstelle von flüssiger Harnstofflösung reiner Ammoniak verwendet wird. Dabei wird reiner Ammoniak in Salz gebunden und in Kartuschen eingebracht, so dass zur Stickoxid-Reduzierung reiner Ammoniak ins Abgassystem eingeleitet werden kann, der aus dem kompakten Festkörper (Salz/Ammoniak) freigesetzt wird. Zum Freisetzen des Ammoniaks ist es allerdings erforderlich, das Salz auf eine Temperatur von zumindest 60°C zu erwärmen. Diese Erwärmung erfolgt vorzugsweise über elektrische Heizvorrichtungen. The abbreviation "ASDS" (Ammonia Storage and Delivery System) is an SCR system that uses pure ammonia instead of liquid urea solution. In this case, pure ammonia is bound in salt and introduced into cartridges so that pure ammonia can be introduced into the exhaust system to reduce nitrogen oxide, which is released from the compact solid (salt / ammonia). To release the ammonia, however, it is necessary to heat the salt to a temperature of at least 60 ° C. This heating is preferably carried out by electric heaters.
Derartige Heizungen müssen auch bei dem eingangs beschriebenen SCR-Verfahren mit wässrigem Harnstoff verwendet werden, da diese bei einer Temperatur unterhalb –11°C gefriert und somit nicht mehr in den Abgasstrang eingebracht werden kann. Es ist daher auch bei diesen mit Flüssigkeit betriebenen SCR-Anlagen erforderlich, die Tanks zur Aufnahme der wässrigen Harnstofflösung mit einem Heizsystem auszustatten. Such heaters must also be used in the SCR process described above with aqueous urea, since this freezes at a temperature below -11 ° C and thus can not be introduced into the exhaust system. It is therefore also necessary in these liquid-operated SCR systems to equip the tanks for receiving the aqueous urea solution with a heating system.
Eine derartige Lösung ist beispielsweise in der
In der
Aus diesem Grund werden häufig umströmte Heizsysteme, so genannte Heizpatronen, verwendet. Eine derartige Heizpatrone ist beispielsweise in der
In der
Ein Nachteil dieser bekannten Heizsysteme besteht darin, dass sie für eine Verwendung in einem aggressiven Medium, wie beispielsweise Ammoniak ungeeignet sind und beschädigt werden können – eine derartige Beschädigung ist jedoch gerade in der Automobiltechnik unvereinbar mit den Sicherheitsvorschriften, da beispielsweise im Fall eines Kurzschlusses eine extrem hohe Brandgefahr besteht. A disadvantage of these known heating systems is that they are unsuitable for use in an aggressive medium, such as ammonia and can be damaged - but such damage is precisely in automotive technology incompatible with safety regulations, as in the case of a short circuit, for example high fire hazard exists.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Heizbaugruppe zu schaffen, die auch in aggressiven Medien ohne Beschädigung einsetzbar ist. Der Erfindung liegt des Weiteren die Aufgabe zugrunde, ein einfaches Verfahren zum Herstellen einer derartigen Heizbaugruppe bereit zu stellen. In contrast, the invention has for its object to provide a heating assembly that can be used in aggressive media without damage. A further object of the invention is to provide a simple method for producing such a heating assembly.
Die Erfindung soll jedoch keinesfalls auf eine Anwendung in derartigen SCR-Systemen begrenzt sein. Prinzipiell soll das Heizsystem auch für andere Einsatzzwecke, beispielsweise zur Erwärmung von Batteriesäure, zum Erwärmen von Transformatoröl oder sonstigen aggressiven Fluiden verwendet werden. However, the invention should by no means be limited to use in such SCR systems. In principle, the heating system should also be used for other purposes, for example for heating battery acid, for heating transformer oil or other aggressive fluids.
Diese Aufgabe wird im Hinblick auf die Heizbaugruppe durch die Merkmalskombination des Patentanspruches 1 und im Hinblick auf das Verfahren durch die Merkmalskombination des nebengeordneten Patentanspruches 14 gelöst. This object is achieved with regard to the heating assembly by the combination of features of claim 1 and with regard to the method by the combination of features of the
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Advantageous developments of the invention are the subject of the dependent claims.
Erfindungsgemäß hat die Heizbaugruppe eine Heizpatrone, die zumindest ein elektrisch kontaktiertbares Heizelement enthält, das in einen Profilkörper eingesetzt ist und gegenüber diesem elektrisch isoliert ist. Die Heizpatrone ist erfindungsgemäß fluiddicht in eine Hülse eingesetzt, wobei zur thermischen und/oder mechanischen Kopplung in einen Umfangsspalt zwischen einer Hülsenumfangswandung und einer Heizpatronen-Außenumfangswandung eine Koppelschicht angeordnet ist. Dieser Umfangsspalt muss sich dabei weder in Umfangsrichtung noch in Axialrichtung vollständig entlang des Profilkörpers erstrecken sondern kann auch abschnittsweise ausgebildet sein. Erfindungsgemäß wird somit eine Koppelschicht zumindest abschnittsweise zwischen Hülse und Heizpatrone eingebracht, aus einer Wärme leitenden und Toleranz ausgleichenden Vergussmasse oder dergleichen gebildet ist. According to the invention, the heating assembly has a heating cartridge which contains at least one electrically contactable heating element which is inserted in a profile body and is electrically insulated from it. According to the invention, the heating cartridge is inserted in a fluid-tight manner into a sleeve, with a coupling layer being arranged for thermal and / or mechanical coupling in a circumferential gap between a sleeve peripheral wall and a heating cartridge outer peripheral wall. This circumferential gap does not have to extend completely along the profile body either in the circumferential direction or in the axial direction, but may also be formed in sections. According to the invention, a coupling layer is thus at least partially introduced between the sleeve and the heating cartridge, is formed from a heat-conducting and tolerance-compensating potting compound or the like.
Die Hülse ist aus einem Material gefertigt, das beständig gegen eine Beschädigung durch das aufzuheizende Medium, beispielsweise ein SCR-Material, ein Transformatoröl oder eine Batteriesäure ist.The sleeve is made of a material which is resistant to damage by the medium to be heated, for example an SCR material, a transformer oil or a battery acid.
Als besonders geeignet hat sich Edelstahl herausgestellt. Selbstverständlich können auch andere Materialien entsprechender Resistenz verwendet werden. Stainless steel has proven to be particularly suitable. Of course, other materials of appropriate resistance can be used.
Durch die Koppelschicht ist gewährleistet, dass eine hinreichende thermische Kopplung zwischen der Heizpatrone und der Hülse besteht, so dass die Wärmeübertragungsverluste minimiert sind. Diese Koppelschicht kann des Weiteren eine Doppelfunktion erfüllen, da sie neben einer thermischen Kopplung auch eine mechanische Kopplung mit einem Toleranzausgleich bewirkt, so dass auf die Verwendung zusätzlicher Fixierelemente zur Lagefixierung der Heizpatrone innerhalb der Hülse verzichtet werden kann.The coupling layer ensures that there is sufficient thermal coupling between the heating cartridge and the sleeve, so that the heat transfer losses are minimized. This coupling layer can furthermore fulfill a dual function since, in addition to a thermal coupling, it also effects a mechanical coupling with a tolerance compensation, so that the use of additional fixing elements for fixing the position of the heating cartridge within the sleeve can be dispensed with.
Die Koppelschicht wird dementsprechend aus einem hinreichend gut wärmeleitfähigen Material gebildet, das eine wärmetechnisch optimierte Anbindung der Hülse an die Heizpatrone gewährleistet. The coupling layer is accordingly formed of a sufficiently good heat conductive material that ensures a thermally optimized connection of the sleeve to the heating element.
Erfindungsgemäß wird bei dem Montageverfahren zunächst die Heizpatrone vorgefertigt, wobei Heizelemente in einen Profilkörper eingesetzt und mit diesem, beispielsweise durch Verpressen, verbunden werden. Diese vormontierte Heizpatrone wird dann in eine bodenseitig geschlossene Hülse eingesetzt. Zum thermischen und mechanischen Koppeln wird entweder vor dem Einsetzen in die Hülse ein Kopplungsmaterial eingebracht oder aber die Innenumfangswandung der Hülse oder die Außenumfangswandung der Heizpatrone mit dem Kopplungsmaterial beschichtet, so dass beim Einsetzen über die entstehende Kopplungsschicht eine gute thermische Anbindung erfolgt. According to the invention, the heating cartridge is first prefabricated in the assembly process, wherein heating elements are used in a profile body and connected thereto, for example by pressing. This preassembled heating cartridge is then inserted into a bottom closed sleeve. For thermal and mechanical coupling, a coupling material is introduced either before insertion into the sleeve, or else the inner peripheral wall of the sleeve or the outer peripheral wall of the heating cartridge is coated with the coupling material so that a good thermal connection takes place during insertion via the resulting coupling layer.
Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Kopplungsschicht aus einer Vergussmasse ausgeführt. In one embodiment of the invention, the coupling layer is made of a potting compound.
Die elektrische Kontaktierung erfolgt über stirnseitig aus der Hülse herausragende Kontakte – diese Kontakte tauchen vorzugsweise nicht mehr in das aufzuheizende Medium ein. The electrical contact is made on the front side of the sleeve outstanding contacts - these contacts preferably no longer dive into the medium to be heated.
Die elektrische Kontaktierung wird vereinfacht, wenn die Heizbaugruppe mit einer Steckerkappe ausgeführt ist, die die Hülse stirnseitig verschließt, so dass diese einerseits durch den Hülsenboden und andererseits durch die Steckkappe verschlossen ist. The electrical contact is simplified if the heating assembly is designed with a plug cap, which closes the sleeve on the end side, so that it is closed on the one hand by the sleeve bottom and the other by the plug cap.
Die Heizelemente können beispielsweise durch PTC-Bausteine gebildet werden, die mittels Kontaktblechen kontaktiert sind, wobei mehrere derartige PTC-Bausteine in Axialrichtung hintereinander liegend oder in Radialrichtung nebeneinander liegend angeordnet sein können. The heating elements can be formed, for example, by PTC components which are contacted by means of contact plates, wherein a plurality of such PTC components can be arranged lying one behind the other in the axial direction or arranged side by side in the radial direction.
Das Anordnungsmuster dieser PTC-Bausteine kann so gewählt werden, dass in Axialrichtung und in Radialrichtung unterschiedliche Heizzonen ausgebildet werden, wobei Bereiche mit mehreren Heizelementen und Bereiche mit weniger Heizelementen ausgebildet sind. The arrangement pattern of these PTC devices can be selected to provide different heating zones in the axial direction and in the radial direction, with regions having a plurality of heating elements and regions having fewer heating elements.
Zusätzlich oder alternativ können auch mehrere Heizstufen ausgeführt werden, in denen Heizelementgruppen unabhängig von einander elektrisch kontaktiert sind. Additionally or alternatively, a plurality of heating stages can be carried out in which heating element groups are electrically contacted independently of each other.
Wie bereits erwähnt, ist der Umfangsspalt zwischen der Heizpatrone und der Hülse nicht notwendigerweise durchgängig ausgebildet sondern kann auch abschnittsweise ausgeführt sein. As already mentioned, the circumferential gap between the heating cartridge and the sleeve is not necessarily formed continuously but can also be performed in sections.
Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Außenumfang der Heizpatrone mit Ausnehmungen ausgeführt, die zur Aufnahme von überflüssigem Material der Kopplungsschicht dienen. In a particularly preferred embodiment, the outer periphery of the heating cartridge is designed with recesses which serve to receive unnecessary material of the coupling layer.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Hülse an ihrem von der Anschlussseite entfernten Endabschnitt stirnseitig durch einen Boden verschlossen. In a preferred embodiment, the sleeve is closed at its end remote from the connection end side end face by a bottom.
Die Heizpatrone kann zu diesem Boden hin offen ausgeführt sein, da die eigentliche Isolation gegenüber dem aggressiven Medium über die Hülse erfolgt. D.h. die Heizpatrone kann deutlich einfacher als beim eingangs beschriebenen Stand der Technik ausgeführt sein. The heating cartridge can be designed to be open to this floor, since the actual isolation from the aggressive medium takes place via the sleeve. That the immersion heater can be made much simpler than the prior art described above.
Erfindungsgemäß wird es bevorzugt, wenn bei der Heizpatrone die Heizelemente mit dem Profilkörper verpresst sind, wobei dieser dann als Stranggussprofil ausgeführt sein kann. According to the invention it is preferred if the heating element with the heating elements Profile body are pressed, which can then be designed as a continuous casting profile.
Bei einer Montage der Heizbaugruppe nach dem erfindungsgemäßen Verfahren kann das Aufbringen der Koppelschicht durch Tauchen, Streichen oder Spritzen erfolgen. When mounting the heating assembly according to the inventive method, the application of the coupling layer by dipping, brushing or spraying can take place.
Die Isolation der Heizelemente mit Bezug zum Profilkörper erfolgt über eine Isolationsschicht, beispielsweise über eine Isolierhülle aus Polyimid (PI), die eine gute elektrische Isolierung bei hinreichender Wärmeleitfähigkeit gewährleistet. Auch andere Isoliermittel wie Keramik oder Pressglimmer (Mikanit) sind möglich.The insulation of the heating elements with respect to the profile body via an insulating layer, for example via an insulating polyimide (PI), which ensures good electrical insulation with sufficient thermal conductivity. Other insulating materials such as ceramic or pressed mica (mica) are possible.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: A preferred embodiment of the invention will be explained in more detail below with reference to schematic drawings. Show it:
Gemäß
Wie im Folgenden noch näher erläutert wird, ist in der Hülse
Am Außenumfang des Profilkörpers
Wie erwähnt, ist das Material des Profilkörpers
In
In
Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Heizbaugruppe
Die vorgefertigte Heizpatrone
Alternativ ist es auch möglich, entweder die Innenumfangswandung der Hülse
Ein Vorteil des zuletzt geschilderten Verfahrens besteht darin, dass das vollflächige Aufbringen der Vergussmasse
Wie erläutert, hat diese Vergussmasse eine Doppelfunktion; sie dient einerseits zur Verbesserung des Wärmeübergangs von der Heizpatrone
Der Flansch
Anstelle der Kontaktierung über einen „fliegenden Stecker“ kann auf die Hülse
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ist, dass vergleichsweise große Hülsenlängen, bis beispielsweise 1000 mm realisierbar sind, da die Montage der Heizpatrone
Erfindungsgemäß wird somit eine einfach herstellbare Heizbaugruppe zur Verfügung gestellt, wobei über die wärmeleitfähige Vergussmasse ein einfacher Toleranzausgleich ermöglicht ist. Die Heizbaugruppe
Aufgrund des modularen Aufbaus kann die Heizbaugruppe in einfacher Weise an unterschiedliche geometrische Verhältnisse angepasst werden, wobei der Aufbau der einzelnen Komponenten sehr einfach ist, so dass ein kostengünstiges System bereitgestellt wird. Due to the modular design, the heating assembly can be easily adapted to different geometric conditions, the structure of the individual components is very simple, so that a cost-effective system is provided.
Offenbart ist eine Heizbaugruppe, bei der eine Heizpatrone über eine Koppelschicht aus einer Wärme leitenden und Toleranz ausgleichenden Vergussmasse in eine patronenförmige Hülse eingesetzt ist. Disclosed is a heating assembly in which a heating element is inserted via a coupling layer of a heat-conducting and tolerance compensating potting compound in a cartridge-shaped sleeve.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Heizbaugruppe heater assembly
- 22
- Hülse shell
- 44
- Boden ground
- 66
- Flansch flange
- 88th
- Flachsteckhülse Blade receptacle
- 1010
- Stromzuführungen power leads
- 1212
- Anschlusssteckzunge Connection tongue
- 1414
- Heizpatrone Cartridge Heater
- 1616
- PTC-Heizelement PTC heating element
- 1818
- Profilkörper profile body
- 2020
- Kontaktblech contact sheet
- 2222
- Kontaktblech contact sheet
- 2424
- PTC-Baustein PTC element
- 2626
- PI-Folie PI film
- 2828
- Spalt gap
- 3030
- Ausnehmung recess
- 3131
- Verformungssteg deformation bar
- 3232
- Ausnehmung recess
- 3434
- Aufnahmeraum accommodation space
- 3636
- Vergussmasse potting compound
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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- DE 102008024448 [0008] DE 102008024448 [0008]
- EP 0573691 B1 [0009] EP 0573691 B1 [0009]
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