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Die Erfindung betrifft eine Medienleitung, insbesondere zum Transport einer Harnstoff-Wasser-Lösung, mit
- – einer Schlauchleitung zum Medientransport,
- – mindestens einem entlang der Schlauchleitung verlaufenden elektrischen Widerstandsheizdraht zur Beheizung der Schlauchleitung,
- – mindestens einen an einem Schlauchleitungsende angeordneten Konnektor zum flüssigkeitsdichten Anschluss der Schlauchleitung an ein Aggregat und
- – einer elektrischen Konnektor-Heizvorrichtung zur Beheizung des Konnektors.
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Eine Medienleitung mit den eingangs beschriebenen Merkmalen ist beispielsweise aus der
WO 2014/154350 A1 bekannt. Harnstoff-Wasser-Lösungen, beispielsweise genormt nach
DIN 70070 und CEFIC (European Chemical Industry Council) werden z.B. in Verbrennungsabgase von Kraftfahrzeugen, insbesondere mit Dieselmotor zugegeben, um vor allem die Stickoxid-Emission zu senken und damit die immer weiter steigenden Anforderungen der Abgasvorschriften zu erfüllen.
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Für die Leitung der Harnstoff-Wasser-Lösung aus einem Tank zur Einspritzung in die Verbrennungsabgase ist in der Regel eine Temperierungsmöglichkeit der zumeist aus einem Polymermaterial bestehenden Schlauchleitung erforderlich, weil die Harnstoff-Wasser-Lösung aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung den Nachteil hat, dass sie bei ca. minus 11 °C ausflockt bzw. gefriert. Daher muss in aller Regel die Schlauchleitung beheizbar ausgebildet sein, wobei insbesondere bei einem Kaltstart des Kraftfahrzeuges bei sehr niedrigen Außentemperaturen ein schnelles Auftauen der in der Schlauchleitung stehenden, gefrorenen Harnstoff-Wasser-Lösung sichergestellt sein muss.
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Die Heizeinrichtung zur Beheizung des Mediums ist meist helixförmig um die Schlauchleitung gewickelt. Dies gewährleistet zwar eine ausreichende Beheizung der Schlauchleitung selbst, jedoch kann in der Regel hiermit im Bereich der Konnektoren keine zufriedenstellende Beheizung realisiert werden. Die Konnektoren sind an einem oder auch an beiden Enden der Schlauchleitung angeordnet und dienen zum flüssigkeitsdichten Anschluss der Schlauchleitung an ein Aggregat, beispielsweise einen Tankbehälter für die Harnstoff-Wasser-Lösung oder aber auch zum Anschluss an eine weitere Medienleitung bzw. an eine Düse zur Einspritzung der Lösung in die Verbrennungsabgase. In der Praxis ist es daher üblich, für die Konnektoren eine gesonderte Konnektor-Heizeinrichtung vorzusehen. In der bereits genannten
WO 2014/154350 A1 wird beispielsweise vorgeschlagen, die Konnektor-Heizvorrichtung als elastisch verformbares Klemmbauteil auszubilden, welches im elastisch verformten Zustand auf den Konnektor aufgeschoben und durch seine Klemmwirkung an dem Konnektor befestigt ist. Diese Art der Konnektorbeheizung hat sich grundsätzlich bewährt.
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Im Stand der Technik werden bei der Medienleitung regelmäßig alle elektrischen Widerstandsheizungen, also der entlang der Schlauchleitung vor und zurück verlaufende elektrische Widerstandsheizdraht sowie die mindestens eine elektrische Konnektor-Heizvorrichtung in Reihe geschaltet. Dies hat zur Folge, dass der Stromfluss durch alle Komponenten identisch ist und daher alle entsprechenden Widerstände exakt aufeinander abgestimmt werden müssen. In der Regel hat der elektrische Widerstandsheizdraht eine Leistungsaufnahme von 10 bis 15 W pro Meter Schlauchleitung, wodurch die Dimensionierung des entsprechenden Widerstandsheizdrahtes längenabhängig ist. Eine einzelne Konnektor-Heizvorrichtung hat hingegen unabhängig von der Schlauchleitungslänge eine Leistungsaufnahme von ca. 2 W. Aufgrund der Reihenschaltung müssen also im Stand der Technik die Komponenten Widerstandsheizdraht und Konnektor-Heizvorrichtung hinsichtlich Material und Geometrie vergleichsweise aufwändig optimal aufeinander abgestimmt werden, so dass sich die jeweils erforderlichen Heizleistungen auch tatsächlich einstellen. Dieser Optimierungsprozess muss bei jeder Veränderung der Schlauchleitungslänge erneut durchgeführt werden. Dies führt insgesamt zu einer sehr hohen Variantenvielfalt, von der auch die Konnektor-Heizvorrichtung betroffen ist, obwohl diese bei ca. 2 W Leistungsaufnahme längenunabhängig spezifiziert ist.
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Medienleitung mit den eingangs beschriebenen Merkmalen anzugeben, welche eine vereinfachte Dimensionierung und standardisierte Gestaltung vom Widerstandsheizdraht einerseits und der Konnektor-Heizvorrichtung andererseits ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Konnektor-Heizvorrichtung an eine vom elektrischen Stromfluss durch den Widerstandsheizdraht entkoppelte, parallel zum Widerstandsheizdraht verlaufende Stromversorgungsleitung angeschlossen ist. Die erfindungsgemäße Lehre beruht folglich auf der Erkenntnis, den elektrischen Widerstandsheizdraht zur Beheizung der Schlauchleitung nicht mehr gleichzeitig auch zum Transport des elektrischen Stroms hin zum Konnektor und der entsprechenden Konnektor-Heizvorrichtung einzusetzen. Stattdessen wird erfindungsgemäß eine parallel zum elektrischen Widerstandsheizdraht verlaufende Stromversorgungsleitung vorgesehen, welche insbesondere hinsichtlich Material und Dimensionierung völlig unabhängig vom elektrischen Widerstandsheizdraht auf die gewünschte Leistungsaufnahme in der Konnektor-Heizvorrichtung ausgelegt werden kann. Da, wie eingangs erläutert, die Leistungsaufnahme in der Konnektor-Heizvorrichtung regelmäßig deutlich niedriger als in dem elektrischen Widerstandsheizdraht ist, kann für diese Stromversorgungsleitung insbesondere ein den elektrischen Strom sehr gut leitendes Material eingesetzt werden, welches sich im Betrieb nur geringfügig erwärmt. Dies ist insofern unproblematisch, als dass die Beheizung der Schlauchleitung unverändert vom erfindungsgemäß entkoppelten Widerstandsheizdraht übernommen wird. Vorzugsweise sind die Stromversorgungsleitung und der Widerstandsheizdraht elektrisch parallel geschaltet und insbesondere an eine gemeinsame elektrische Stromquelle angeschlossen. Zweckmäßigerweise umgeben der Widerstandsheizdraht und die Stromversorgungsleitung die Schlauchleitung gemeinsam helixförmig.
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Vorzugsweise besteht die Stromversorgungsleitung aus einem Material mit einer sehr hohen elektrischen Leitfähigkeit von mindestens 20·106 A/(V·m), vorzugsweise mindestens 30·106 A/(V·m), besonders bevorzugt mindestens 40·106 A/(V·m). Insbesondere kann die Stromversorgungsleitung aus Kupfer bestehen, dessen elektrische Leitfähigkeit bei ca. 58·106 A/(V·m) liegt (Werte jeweils bei einer Temperatur 300 K). Da erfindungsgemäß die Stromversorgungsleitung nur noch für den Stromtransport hin zur Konnektor-Heizvorrichtung und wieder zurück eingesetzt werden muss, kann diese insbesondere so gestaltet werden, dass sie sich beim Stromtransport praktisch nicht erwärmt. Diese Funktion wird unabhängig von der Stromversorgungsleitung weiterhin von dem geometrisch entlang der Schlauchleitung parallel verlaufenden Widerstandsheizdraht gewährleistet. Zwar sind zweckmäßigerweise der elektrische Widerstandsheizdraht und die Konnektor-Heizvorrichtung an dieselbe elektrische Stromquelle angeschlossen, aufgrund der elektrischen Parallelschaltung ist jedoch eine äußerst flexible, voneinander weitgehend unabhängige Auslegung von Konnektor-Heizvorrichtung einerseits und elektrischem Widerstandsheizdraht andererseits möglich.
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Der Widerstandsheizdraht besteht zweckmäßigerweise aus einem Material, dessen elektrische Leitfähigkeit deutlich niedriger als dasjenige der Stromversorgungsleitung ist, damit er sich beim Stromdurchfluss wie gewünscht erwärmt und somit zu einer ausreichenden Beheizung der Schlauchleitung beiträgt. Vorzugsweise besteht der Widerstandsheizdraht aus einem Material mit einer elektrischen Leitfähigkeit von höchstens 10·106 A/(V·m), vorzugsweise höchstens 5·106 A / (V·m), insbesondere höchstens 2·106 A/(V·m), wobei die vorgenannten Werte wiederum jeweils für eine Temperatur von 300 K gelten. So kann der Widerstandsheizdraht beispielsweise aus Cu-ETP, CuNi2, CuNi6, CuNi23, CuNi44, NiCr 3020 oder auch Kanthal D bestehen. Im Rahmen der Erfindung liegt es insbesondere, dass die Konnektor-Heizvorrichtung als PTC-Widerstand mit einem positiven, nicht linearen Temperaturkoeffizienten ausgebildet ist. Ein derartiger PTC-Widerstand bewirkt, dass sich bei ansteigender Temperatur der Stromfluss aufgrund des mit der Temperatur stark ansteigenden elektrischen Widerstands automatisch reduziert und damit eine Überhitzung des Konnektors vermieden wird. Bei der im Stand der Technik bislang üblichen Reihenschaltung hatte ein derartiger Einsatz jedoch den gleichzeitigen Nachteil, dass der Stromtransport hin zur Schlauchleitungsbeheizung auch entsprechend reduziert wird. Dies kann in Einzelfällen jedoch dazu führen, dass die Schlauchleitung nicht den gewünscht schnellen Auftauvorgang zeigt, wo hingegen die Konnektoren selbst bereits deutlich erwärmt sind. Aufgrund der erfindungsgemäßen Entkopplung der Stromzufuhr von Widerstandsheizdraht und Konnektor-Heizvorrichtung ist der Einsatz von PTC-Widerständen für die Konnektorbeheizung jedoch nun nicht mehr mit Nachteilen hinsichtlich der Auslegung der Schlauchbeheizung verbunden.
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Im Rahmen der Erfindung liegt es, dass der Widerstandsheizdraht und/oder die Stromversorgungsleitung jeweils von einer, vorzugsweise polymeren, Isolationsschicht ummantelt sind. Ferner können der Widerstandsheizdraht und die Stromversorgungsleitung gemeinsam von einer, vorzugsweise polymeren, Isolationshülle ummantelt sein. Insbesondere können der Widerstandsheizdraht und die Stromversorgungsleitung entsprechend 2-fach eingehüllt sein, nämlich zunächst jeweils separat durch die Isolationsschicht und daran anschließend gemeinsam zusätzlich durch die vorstehend genannte Isolationshülle.
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Im Rahmen der Erfindung liegt es ferner, dass der Widerstandsheizdraht und die Stromversorgungsleitung miteinander verdrillt sind, beispielsweise mit einer Verdrillung von mindestens 2 Umdrehungen (U) pro Meter (m), insbesondere mindestens 5 U/m, z.B. mindestens 10 U/m. Der Widerstandsheizdraht und/oder die Stromversorgungsleitung kann ferner jeweils als Litze mit mehreren Einzeldrähten ausgebildet sein. Üblicherweise wird eine ungerade Anzahl von Einzeldrähten verwendet.
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Sofern an beiden Schlauchleitungsenden jeweils ein Konnektor angeordnet ist, sind vorzugsweise die beiden Konnektor-Heizvorrichtungen der Konnektoren elektrisch parallel geschaltet sind. Entsprechend werden hier die beiden Konnektor-Heizvorrichtungen von einer sich zu den beiden Konnektoren hin verzweigenden Stromversorgungsleitung mit Strom versorgt. Hierdurch wird die Auslegung von Medienleitungen mit zwei Konnektor-Heizvorrichtungen deutlich vereinfacht.
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Insgesamt erlaubt die erfindungsgemäße Lehre eine Vereinheitlichung eines Baukastensystems für die Medienleitung, wodurch bei einer konkreten Auslegung der Medienleitung für einen bestimmten Anwendungsfall nur ein geringer bzw. gar kein Änderungsaufwand hinsichtlich der einzelnen Komponenten erforderlich ist.
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Wie in der
WO 2014/154350 A1 beschrieben, kann die Konnektor-Heizvorrichtung ein elastisch verformbares Klemmbauteil aufweisen, welches im elastisch verformten Zustand auf den Konnektor aufgeschoben und durch seine Klemmwirkung an dem Konnektor befestigt ist. Insbesondere kann das Klemmbauteil eine klauenförmige Geometrie aufweisen, wobei die Weite der Klauenöffnung durch eine elastische Verformung des Klemmbauteils veränderbar ist. Zweckmäßigerweise ist das Klemmbauteil als vorzugsweise gestanztes und danach gebogenes Blechformteil ausgebildet. Das Blechformteil kann mäanderförmig ausgebildet sein. Ferner weist das Blechformteil zweckmäßigerweise zwei Anschlussfahnen zur elektrischen Kontaktierung auf. Aufgrund der erfindungsgemäßen elektrischen Entkopplung der Konnektor-Heizvorrichtung vom elektrischen Widerstandsheizdraht für die Schlauchleitung ist es möglich, die Dimensionierung dieser Konnektor-Heizvorrichtung optimal auf ihren eigentlichen Verwendungszweck, also allein auf die konkrete Aufgabe der Beheizung des entsprechenden Konnektors abzustimmen, unabhängig von den Gegebenheiten hinsichtlich der Schlauchbeheizung. Das erleichtert die konstruktive Gestaltung der Konnektor-Heizvorrichtung, insbesondere sofern sie, wie vorgestehend ausgeführt, als elastisch verformbares Klemmbauteil ausgestaltet ist, erheblich.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung ausführlich erläutert. Es zeigen schematisch:
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1 eine erfindungsgemäße Medienleitung;
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2 einen vergrößerten Ausschnitt der 1;
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3 einen Querschnitt durch die 2;
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4 den Ausschnitt in 3 in vergrößerter Darstellung;
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5a eine weitere Ausführungsform der Erfindung in einer Teilansicht;
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5b eine dreidimensionale Darstellung der 5a;
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6a, b eine Konnektor-Heizvorrichtung in einer Detailansicht;
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7 eine elektrische Verschaltung einer Medienleitung gemäß dem Stand der Technik;
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8, 9 elektrische Verschaltungen erfindungsgemäßer Medienleitungen.
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Die 1 zeigt eine Medienleitung zum Transport einer Harnstoff-Wasser-Lösung 1. Die Medienleitung weist eine aus einem polymeren Material, beispielsweise PA, bestehende Schlauchleitung 2 zum Transport des Mediums 1, einen entlang der Schlauchleitung 2 verlaufenden elektrischen Widerstandsheizdraht 3 zur Beheizung der Schlauchleitung 2 (vgl. 4) und an jedem Schlauchleitungsende jeweils einen Konnektor 4a, 4b zum flüssigkeitsdichten Anschluss der Schlauchleitung 2 an ein Aggregat (z.B. ein Tankbehältnis oder eine weitere Medienleitung) auf, wobei jeder Konnektor 4a, 4b mit jeweils einer elektrischen Konnektor-Heizvorrichtung 5a, 5b zur Beheizung des Konnektors 4a, 4b ausgestattet ist.
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In 2 ist erkennbar, dass der Widerstandsheizdraht 3 von einer Isolationsschicht 20 und diese wiederum von einer Schutzschicht 30 umgeben ist. In der 1 sind diese beiden vorgenannten Schichten 20, 30 nicht dargestellt.
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3 zeigt eine Querschnittsdarstellung der 2. Es ist insbesondere in Verbindung mit den 4 und 9 erkennbar, dass die beiden Konnektor-Heizvorrichtungen 5a, 5b an eine vom elektrischen Stromfluss durch den Widerstandsheizdraht 3 entkoppelte, parallel zum Widerstandsheizdraht 3 verlaufende Stromversorgungsleitung 6 (s. 1, 2) angeschlossen ist. Wie den 8 und 9 im Detail noch zu entnehmen ist, sind die Stromversorgungsleitung 6 und der Widerstandsheizdraht 3 elektrisch parallel geschaltet. Anhand der 1 und 2 ist erkennbar, dass der Widerstandsheizdraht 3 und die Stromversorgungsleitung 6 die Schlauchleitung 2 gemeinsam helixförmig mit der Schlauchleitungsachse x im Zentrum der Helix umgeben. Der Widerstandsheizdraht 3 und die Stromversorgungsleitung 6 sind in 4 detailliert dargestellt. Die Stromversorgungsleitung 6 besteht im Ausführungsbeispiel aus einem Material mit sehr hoher elektrischer Leitfähigkeit, beispielsweise Kupfer. Der Widerstandsheizdraht 3 hingegen besteht aus einem Material mit deutlich niedriger elektrischer Leitfähigkeit und besteht im Ausführungsbeispiel aus dem Werkstoff Kanthal D. Im Rahmen der Erfindung liegt es ferner, dass die Konnektor-Heizvorrichtung als PTC-Widerstand mit einem positiven, nicht linearen Temperaturkoeffizienten ausgebildet ist. Es ist ferner erkennbar, dass der Querschnitt des Widerstandsheizdrahtes 3 größer als der Querschnitt der Stromversorgungsleitung 6 ist. Sowohl Widerstandsheizdraht 3 als auch die Stromversorgungsleitung 6 sind jeweils als Litze mit mehreren Einzeldrähten 3a bzw. 6a ausgebildet. Wie der 4 ferner zu entnehmen ist, sind der Widerstandsheizdraht 3 und auch die Stromversorgungsleitung 6 jeweils von einer polymeren Isolationsschicht 7, 8 ummantelt. Zusätzlich hierzu sind der mit der Isolationsschicht 7 versehene Widerstandsheizdraht 3 und die mit der Isolationsschicht 8 versehene Stromversorgungsleitung 6 gemeinsam von einer polymeren, äußeren Isolationshülle 9 ummantelt. Der Widerstandsheizdraht 3 und die Stromversorgungsleitung 6 sind um ihre Längsachse miteinander verdrillt, z.B. mit einer Verdrillung von fünf Umdrehungen pro Meter Leitungslänge.
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Die 5a und 5b zeigen ein Ende einer weiteren alternativ zur 1 gestalteten Medienleitung, wobei hier im Gegensatz zur 1 der Konnektor 5a nicht um 90° abgewinkelt, sondern koaxial zur Schlauchleitung 2 ausgerichtet ist. Den 5a, 5b und 1 ist zu entnehmen, dass der Widerstandsheizdraht 3 und die Stromversorgungsleitung 6 an einen elektrischen Kontaktstecker 10 anschlossen sind, über den die elektrische Stromzufuhr sichergestellt wird.
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Die 6a, 6b zeigen die in den 1, 5a und 5b dargestellten Konnektor-Heizvorrichtungen 5a, 5b im Detail. Es ist erkennbar, dass die Konnektor-Heizvorrichtungen 5a, 5b jeweils ein elastisch verformbares Klemmbauteil 50 aufweisen, welches im elastisch verformbaren Zustand auf den Konnektor 4a, 4b aufgeschoben und durch seine Klemmwirkung an dem Konnektor 4a, 4b befestigt ist. Das Klemmbauteil 50 weist eine klauenförmige Geometrie auf, wobei die Weite W der Klauenöffnung durch eine elastische Verformung des Klemmbauteils 50 veränderbar ist. Das Klemmbauteil ist als gestanztes und danach gebogenes Blechformteil ausgebildet und besitzt eine Dicke von s = 0,1 bis 0,5 mm. Es ist erkennbar, dass das Blechformteil 50 mäanderförmig ausgebildet ist und zwei Anschlussfahnen 51 zur elektrischen Kontaktierung aufweist.
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Die 7 bis 9 zeigen verschiedene elektrische Stromkreise, wobei 7 den Stand der Technik repräsentiert und 8 bzw. 9 die erfindungsgemäße Lehre. In der 7 ist der elektrische Widerstand der Konnektor-Heizvorrichtung 5a des ersten Konnektors 4a mit R5a bezeichnet und der elektrische Widerstand der Konnektor-Heizvorrichtung 5b des zweiten Konnektors 4b mit R5b. R3h bezeichnet den elektrischen Widerstand des elektrischen Widerstandsheizdrahtes 3 in der Drahtschlaufe in Hinrichtung entlang der Schlauchleitung 2 und R3z den entsprechenden Widerstand in der Drahtschlaufe in Rückrichtung. Das Schaltbild zeigt, dass bei dieser Ausführungsform die beiden Konnektor-Heizvorrichtungen 5a, 5b an die Enden der beiden Drahtschlaufen angeschlossen sind, insgesamt also eine Reihenschaltung aller an die Stromquelle 100 angeschlossenen elektrischen Widerstände R5a, R3h, R5b und R3z vorliegt. Entsprechend ist der Stromfluss I0 durch alle Widerstände gleich groß und der Widerstandsheizdraht 3 sowie die beiden Konnektor-Heizvorrichtungen 5a, 5b müssen exakt aufeinander abgestimmt sein, so dass die gewünschten Leistungsaufnahmen (ca. 2 W an jeder Konnektor-Heizvorrichtung 5a, 5b und 10–15 W pro Meter Schlauchleitung 2) realisiert werden können.
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Gemäß 8 ist nun die Konnektor-Heizvorrichtung 5a (repräsentiert durch ihren elektrischen Widerstand R5a) an die vom elektrischen Stromfluss durch den Widerstandsheizdraht 3 entkoppelte, geometrisch parallel (s. 4) zum Widerstandsheizdraht 3 verlaufende Stromversorgungsleitung 6 angeschlossen, wobei Stromversorgungsleitung 6 und Widerstandsheizdraht 3 elektrisch parallel an eine gemeinsame Stromquelle 100 angeschlossen sind. Aufgrund der Parallelschaltung können unterschiedlich große Stromflüsse I1, I2 durch die beiden von Widerstandsheizdraht 3 und Stromversorgungsleitung 6 gebildeten Maschen realisiert werden und die Auslegung des Widerstandsheizdrahtes 3 kann daher weitgehend unabhängig die Dimensionierung der Konnektor-Heizvorrichtung 5a erfolgen.
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Während gemäß 8 die Medienleitung nur über eine einzelne Konnektor-Heizvorrichtung 5a verfügt, sind beim dem konstruktiven Aufbau in 1 entsprechenden Beispiel gemäß 9 an beiden Enden der Schlauchleitung 2 Konnektoren 4a, 4b und damit zwei Konnektor-Heizvorrichtungen 5a, 5b vorgesehen. Es ist erkennbar, dass einerseits sowohl die Stromversorgungsleitung 6 und der Widerstandsheizdraht 3 elektrisch parallel geschaltet sind und zusätzlich beide Konnektor-Heizvorrichtungen 5a, 5b zueinander elektrisch parallel geschaltet sind. Folglich stellen sich in diesem Schaltkreis drei Stromflüsse I1, I2a, I2b ein. Hierdurch wird die Flexibilität hinsichtlich der Gestaltung einer Medienleitung mit zwei Konnektor-Heizvorrichtungen 5a, 5b weiter erhöht, da die beiden Konnektor-Heizvorrichtungen 5a, 5b hier weitgehend unabhängig voneinander gestaltet werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2014/154350 A1 [0002, 0004, 0014]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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