(57)【要約】  本発明は、気体状または液体状の流体を一定の目標温度に制御するための調整装置（１０）であって、供給システム（１４）に流体的に接続可能な流入口（１８）と、消費装置（１６）に流体的に接続可能な流出口（２２）と、流入口（１８）と流出口（２２）との間の第１の流体管路（２０）と、第１の流体管路（２０）に配置された加熱装置（２４）と、加熱装置（２４）の上流で第１の流体管路（２０）から分岐し、加熱装置（２４）の下流で再び第１の流体管路（２０）へ通じる第２の流体管路（３０）と、流体流を制御可能であって、かつ２つの流体管路（２０；３０）の一方に配置された制御弁（３８）と、第２の流体管路（３０）から第１の流体管路（２０）への通流口（３６）の下流で、第１の流体管路（２０）に配置された第１の温度センサ（４２）とを備えた、調整装置（１０）に関しており、ここで、制御弁（３８）を迂回することができる流体管路（３０；２０）に、逆止弁（２８）が配置されている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
気体状または液体状の流体を一定の目標温度に制御するための調整装置（１０）であって、
供給システム（１４）に流体的に接続可能な流入口（１８）と、
消費装置（１６）に流体的に接続可能な流出口（２２）と、
前記流入口（１８）と前記流出口（２２）との間の第１の流体管路（２０）と、
前記第１の流体管路（２０）に配置された加熱装置（２４）と、
前記加熱装置（２４）の上流で前記第１の流体管路（２０）から分岐し、前記加熱装置（２４）の下流で再び前記第１の流体管路（２０）へ通じる第２の流体管路（３０）と、
流体流を制御可能であって、かつ２つの前記流体管路（２０；３０）の一方に配置された制御弁（３８）と、
前記第２の流体管路（３０）から前記第１の流体管路（２０）への通流口（３６）の下流の前記第１の流体管路（２０）に配置された第１の温度センサ（４２）と
を備え、
前記制御弁（３８）を迂回することができる前記流体管路（３０；２０）内に、逆止弁（２８）が配置されている
ことを特徴とする、調整装置（１０）。
【請求項２】
前記第２の流体管路（３０）内に、冷却装置（３２）が配置されている、
請求項１記載の、気体状または液体状の流体を一定の目標温度に制御するための調整装置。
【請求項３】
前記逆止弁（２８）は、前記加熱装置（２４）の下流に配置されており、前記制御弁（３８）は、前記冷却装置（３２）の下流に配置されている、
請求項１または２記載の、気体状または液体状の流体を一定の目標温度に制御するための調整装置。
【請求項４】
前記制御弁（３８）は、電磁的に駆動される弁または電気モータにより駆動される弁である、
請求項１から３までのいずれか１項記載の、気体状または液体状の流体を一定の目標温度に制御するための調整装置。
【請求項５】
前記制御弁（３８）は、比例弁である、
請求項４記載の、気体状または液体状の流体を一定の目標温度に制御するための調整装置。
【請求項６】
前記加熱装置（２４）は、少なくとも１つのペルチエ素子を含むか、またはペルチエ素子として構成されている、
請求項１から５までのいずれか１項記載の、気体状または液体状の流体を一定の目標温度に制御するための調整装置。
【請求項７】
前記冷却装置（３２）は、液体状の冷却剤を有する熱交換器として構成されている、
請求項２から６までのいずれか１項記載の、気体状または液体状の流体を一定の目標温度に制御するための調整装置。
【請求項８】
前記逆止弁（２８）の閉鎖力は、前記制御弁（３８）が閉鎖された際に前記逆止弁（２８）が開放されかつ前記制御弁（３８）が開放された際に前記逆止弁（２８）が閉鎖されるように設計されている、
請求項１から７までのいずれか１項記載の、気体状または液体状の流体を一定の目標温度に制御するための調整装置。
【請求項９】
前記第１の流体管路（２０）から前記第２の流体管路（３０）への分岐点（２９）の上流に、第２の温度センサ（４４）が配置されている、
請求項１から８までのいずれか１項記載の、気体状または液体状の流体を一定の目標温度に制御するための調整装置。
【請求項１０】
前記第１の流体管路（２０）で前記加熱装置（２４）の下流に、かつ前記第２の流体管路（３０）の前記通流口（３６）の上流に、第３の温度センサ（４６）が配置されている、
請求項１から９までのいずれか１項記載の、気体状または液体状の流体を一定の目標温度に制御するための調整装置。
【請求項１１】
前記第３の温度センサ（４６）が、前記第１の流体管路（２０）の前記逆止弁（２８）の上流に、または前記制御弁（３８）の上流に、配置されている、
請求項１から１０までのいずれか１項記載の、気体状または液体状の流体を一定の目標温度に制御するための調整装置。
【請求項１２】
前記加熱装置（２４）の加熱路（２６）への加熱剤の供給が制御可能である、
請求項１から１１までのいずれか１項記載の、気体状または液体状の流体を一定の目標温度に制御するための調整装置。
【請求項１３】
前記冷却装置（３２）の冷却剤路（３４）への冷却剤の供給が制御可能である、
請求項１から１２までのいずれか１項記載の、気体状または液体状の流体を一定の目標温度に制御するための調整装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気体状または液体状の流体を一定の目標温度に制御(Regelung)するための調整装置であって、供給システムに流体的に接続可能な流入口と、消費装置に流体的に接続可能な流出口と、流入口と流出口との間の第１の流体管路と、第１の流体管路に配置された加熱装置と、加熱装置の上流で第１の流体管路から分岐し、加熱装置の下流で再び第１の流体管路へ通じる第２の流体管路と、流体流を制御可能(regelbar)であって、かつ２つの流体管路の一方に配置された制御弁と、第２の流体管路から第１の流体管路への通流口の下流で、第１の流体管路に配置された第１の温度センサとを備えた、調整装置に関する。
【０００２】
こうした調整装置は、特に流体消費量測定の際に、とりわけ、液体状の流体、例えばガソリン、エタノール、メタノールもしくはディーゼルでの、ならびに気体状の流体、例えば水素、空気もしくはガスでの、可動式および定置式の流体消費量測定の際に、必要とされる。流体の調整は、これが行われない場合に特に内燃機関の不安定な動作において発生する温度変動に基づく体積流量の変化によって負の影響を受ける、消費量測定の精度の改善に用いられる。
【０００３】
可能なかぎり一定の流体温度を達成するために、直接的に動作する調整装置および間接的に動作する調整装置の双方が公知であり、ここで、間接的に動作する調整装置は、調整装置の該当する加熱装置内の熱流または該当する冷却装置内の冷却流を制御するのに対して、直接的に動作する調整では、加熱された流体と加熱されていない流体もしくは冷却された流体との対応する混合比を調整することによって、流体温度が対応する比で制御される。この場合、直接的な調整は著しく高いダイナミクスを有する。間接的な調整装置は、例えばいわゆる加熱槽、例えばオイルが加熱されて燃料管路が高温のオイルによって間接的に加熱されるオイル槽であってよい。これとは異なり、直接的な加熱もしくは冷却の場合、加熱要素が直接に燃料管路に配置される。そのほか、従来技術からは、直接的かつ間接的な加熱方式もしくは冷却方式を組み合わせたコンセプトも公知である。
【０００４】
したがって、独国特許出願公開第１０２００６０３６６６７号明細書には、圧送管路内に冷却装置、加熱装置および圧送ポンプが直列に接続されている調整装置が記載されている。つまり、所望の温度に応じて、流体が、目標温度を達成するために加熱もしくは冷却される。この場合、温度制御のために、供給される熱量もしくは冷却量を制御して、間接的な調整となるようにしなければならない。しかも、充分なダイナミクスを保証できるようにするには、内燃機関からの戻り路に、付加的に、流体を戻し冷却する冷却装置が設けられ、これにより、供給される流体のより大きな温度変動が防止される。よって、これは、比較的惰性の大きい、間接的な制御である。
【０００５】
さらに、日本国特開１１−３０３６５１号公報からは、バイパス管路を介して迂回可能な加熱装置が圧送管路に配置された、調整ユニットを備えた流体供給システムが公知である。バイパス管路または圧送管路を介して機関に供給される体積流量を制御するために、バイパス管路には制御弁が配置されている。制御のためは、さらに、圧送管路とバイパス管路との分岐点の上流および下流で、圧送管路にそれぞれ１つずつ温度センサが配置され、これにより、所望の温度に依存して制御弁を制御することができる。この場合にも、制御弁の位置調整の際につねに加熱装置への通流が行われるので、ダイナミクスの低下が発生する。ここでの通流は、つねに制御弁への通流によって変化するため、制御が著しく困難となる。
【０００６】
したがって、問題となるのは、流体消費量測定システムに適した充分に一定の目標温度が、公知の調整装置によっては、特に充分に迅速には利用できないことである。
【０００７】
よって、流体消費量測定システムで、不安定状態においてもつねに正確に設定された目標温度が測定可能となり、これにより測定時の密度変化に起因する誤差が回避されるよう、高いダイナミクスの正確な温度制御を利用できるようにするという課題が生じる。付加的に、制御は可能なかぎり単純であるとよい。
【０００８】
当該課題は、独立請求項の特徴を有する、気体状または液体状の流体を一定の目標温度に制御するための調整装置により、解決される。
【０００９】
制御弁を迂回することができる流体管路内に逆止弁が配置されることにより、調整装置のダイナミクスが著しく高められる。なぜなら、２つの並列の管路区間が完全に阻止可能となり、よって、混合流が生じないので、より迅速な温度変化が達成可能となるからである。さらに、単一の制御素子のみを制御すればよく、これにより、行うべき制御がきわめて単純となり、低コストで構成される。これに関連して、並列なる概念は、単に、２つの管路区間が共通の流入口と共通の流出口とを有し、このため同方向の通流を有することであると理解されたい。幾何学的な平行性はもちろん要求されない。
【００１０】
好適には、第２の流体管路に冷却装置が配置される。加熱装置と並行して冷却装置を付加的に使用することにより、温度勾配、ひいては調整装置の可能なダイナミクスが付加的に高められる。
【００１１】
本発明の範囲において、流体とは、気体状または液体状の媒体、特に気体状または液体状の燃料または燃焼物質であると理解されたい。ただし、流体は他のあらゆる気体または他のあらゆる液体、例えば燃料電池システムの燃料電池セルスタックのカソードへのカソード供給空気であってもよく、これは特には周囲空気である。供給システムとは、本発明の範囲においては、例えばタンク、容器、例えばガス容器、または送給管路もしくは供給管路であると理解されたい。消費装置は、特には内燃機関または燃料電池もしくは燃料電池セルスタックとして構成される。
【００１２】
特に有利には、逆止弁および制御弁は、加熱装置または冷却装置の下流に配置される。特に、逆止弁は第１の流体管路において加熱装置の下流に配置可能であり、制御弁は第２の流体管路の冷却装置の下流に配置可能である。これにより、制御弁が通常閉鎖されている弁として構成される場合、流量消費量が小さくなる。なぜなら、大抵の駆動状態において、流体の加熱が必要だからである。当該実施形態では、その時点で閉鎖されているほうの管路内にある流体が高い冷却または高い加熱を受け、これにより切り替え時にきわめて迅速な作用が生じる。
【００１３】
好ましい一実施形態では、制御弁は、電磁的に駆動される弁または電気モータにより駆動される弁である。こうした弁は特に迅速かつ正確に制御可能であり、これによりシステムダイナミクスが高められる。
【００１４】
これに代えて、制御弁は、ニューマチック式に駆動されるかまたは駆動制御されるものであってもよい。
【００１５】
これを発展させた実施形態では、制御弁は比例弁である。比例弁では、供給流がアンカーを運動させるための直接の比例性を有するので、制御が容易となる。
【００１６】
好ましくは、加熱装置が、少なくとも１つのペルチエ素子を含むか、またはペルチエ素子として構成され、当該ペルチエ素子により、きわめて正確かつ迅速な加熱装置の温度制御が可能となり、これにより、付加的に、間接的な制御を行うことができる。
【００１７】
また有利には、冷却装置は、液体状の冷却剤を有する熱交換器として構成される。当該冷却剤は、例えば内燃機関の冷却循環回路から取り出し可能であるので、付加的な冷却パワーを導入する必要はない。冷却剤は、例えば液体冷却剤または水であってよい。
【００１８】
好適には、逆止弁の閉鎖力は、制御弁が閉鎖された際に逆止弁が開放され、制御弁が開放された際に逆止弁が閉鎖されるように設計される。このようにすれば、簡単に混合流を形成することができ、他方では２つの管路区間を確実に完全分離することができる。
【００１９】
好ましい一実施形態では、第１の流体管路から第２の流体管路への分岐点の上流に、第２の温度センサが配置される。つまり、当該第２の温度センサは、調整装置内へ流入する流体の温度を測定し、これにより、流出口での絶対温度のほか、制御のために克服すべき温度差も使用可能となる。このため、ダイナミクスを付加的に高めることができる。
【００２０】
さらに有利には、第１の流体管路で加熱装置の下流に、かつ第２の流体管路の通流口の上流に、第３の温度センサが配置され、特に、当該第３の温度センサは、第１の流体管路の逆止弁の上流に、または制御弁の上流に、配置される。これにより、いっそう温度制御が改善される。なぜなら、逆止弁に生じる温度は、いずれの時点でも、温度制御すなわち制御弁の調整に使用可能であるからである。３つの温度センサ全ての値を考慮した特性マップを格納しておくことにより、所望の目標温度を正確に達成するための、制御弁のきわめて正確な位置制御を行うことができる。
【００２１】
ダイナミクスのさらなる向上は、加熱装置の加熱路への加熱剤の供給が制御可能であって、加熱装置が種々の強度の規模で流体を加熱することにより、達成可能である。加熱剤の供給とは、ここでは、電気加熱装置が使用される場合の電流供給および液体状または気体状の加熱剤の供給の双方であると理解されたい。
【００２２】
同様の利点が、冷却装置の冷却剤路への冷却剤の供給が制御可能であることにより、冷間の管路区間においても達成可能である。
【００２３】
このように、気体状または液体状の流体を一定の目標温度に制御するための調整装置が提供され、これにより、簡単な構造および単純な制御のもとで、不安定状態においても高いダイナミクスを達成することができる。こうした手段により、流体消費量測定システムの測定値が著しく改善される。
【００２４】
本発明の、気体状または液体状の流体を一定の目標温度に制御するための調整装置の実施例を図１に示し、以下に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の調整装置の構造を概略的に示す図である。
【００２６】
本発明の調整装置１０は、供給システム１４を介して流体を取り出し、調整装置１０を介して消費装置１６に圧送する流体消費量測定システム１２の一部分である。
【００２７】
調整装置１０は、第１の流体管路２０の流入口１８から流体を受け取る。流体流は、第１の流体管路２０の流出口２２を介して調整装置１０から再び流出し、消費装置１６に流入する。当該消費装置１６には、均一な密度を保証するため、調整装置１０によってつねに一定にとどまる目標温度で流体流が供給され、これにより、測定された体積流量を質量流量へ換算する際の誤差が回避される。
【００２８】
第１の流体管路２０には、特にペルチエ素子または１つもしくは複数のペルチエ素子を含むヒータとして構成された加熱装置２４が配置されている。加熱路２６として用いられる電流線路を介したペルチエ素子への通電が増大すると、周知のようにペルチエ素子の冷却パワーを増大させることができる。加熱装置２４の下流では、第１の流体管路２０において、流入口１８の方向で阻止を行い、充分な圧力が生じた際に流出口２２の方向での開放を行う逆止弁２８が配置されている。
【００２９】
第１の流体管路２０からは、第２の流体管路３０が、加熱装置２４の上流の分岐点２９で分岐しており、逆止弁２８の下流で再び第１の流体管路２０に通じているので、加熱装置２４は第２の流体管路３０を介して迂回可能である。第２の流体管路３０には、流体から熱を取り除くために冷却剤路３４を介して液体状の冷却剤が供給される、熱交換器の形態の冷却装置３２が配置されている。
【００３０】
冷却装置３２の下流では、第２の流体管路３０において、第２の流体管路３０から第１の流体管路２０への通流口３６の上流に制御弁３８が配置されており、当該制御弁３８は、特に電磁比例弁として構成されており、制御ユニット４０を介して駆動制御される。したがって、当該制御弁３８の制御により、第１の流体管路２０内または第２の流体管路３０内の２つの流体流のそれぞれを完全に阻止でき、または２つの流体管路２０，３０を通った混合流を形成でき、これにより流体流の所定の温度を調整することができる。
【００３１】
設定された目標温度へ向かっての制御のために、第２の流体管路３０から第１の流体管路２０への通流口３６の下流の第１の流体管路２０に、第１の温度センサ４２が配置されており、したがって、当該第１の温度センサ４２により、調整装置１０の流出口２２での温度、ひいては消費装置１６への入口温度が測定可能となる。当該温度センサ４２はまた、制御ユニット４０にも接続されており、これにより、温度センサ４２の測定値に依存して、制御弁３８を開放または閉鎖させることができる。
【００３２】
任意の手段として、制御を改善するために、第１の流体管路２０の分岐点２９の上流に第２の温度センサ４４を配置することができ、第２の流体管路３０の制御弁３８の下流に第３の温度センサ４６を配置することができ、これにより、制御弁３８の出口での温度および調整装置１０への流入口１８の温度も、制御の際に考慮可能となる。このために、２つの温度センサ４４，４６は、制御ユニット４０にも接続されている。当該温度センサ４４，４６は、冷却装置３２および加熱装置２４がその加熱パワーおよび冷却パワーに関して冷却剤路３４または加熱路２６を介して制御可能である場合に、特に有意である。第１の温度センサ４２のみが制御に使用される場合には、冷却装置３２および加熱装置２４を可能なかぎり最大パワーで駆動すべきである。
【００３３】
例えば、流体の目標温度が６０℃と設定されたが、第１の温度センサ４２での温度が５０℃しかなかった場合、流体を加熱しなければならない。このためには、制御弁３８が閉鎖されて第２の流体管路３０が閉鎖され、さらに、制御弁３８が閉鎖された際に完全に開放されかつ制御弁３８が完全に開放された際に完全に閉鎖するように設計された逆止弁２８が開放され、これにより、第１の流体管路２０ひいては加熱装置２４を介して流体が加熱されて消費装置１６へ流入する。
【００３４】
これにより、実際温度と目標温度との間の温度差が安定的に減少する。温度差が小さい場合、相応に制御弁により混合流が調整され、第１の流体管路を介して、第２の流体管路を介したよりも幾らか大きい流体流が生じ、これにより、生じた混合流が僅かだけさらに加熱される。
【００３５】
流体温度が過度に高い場合、相応に制御弁３８が開放され、第２の流体管路３０を介した流体が消費装置１６へ流入する。制御弁３８が完全に開放されると、逆止弁２８を開放するための圧力が充分な大きさでなくなるので、当該逆止弁２８が閉鎖される。温度差が小さい場合には、新たに制御弁３８が僅かに閉鎖され、これにより、冷却装置３２を介した流体流は低減されるが、上昇する圧力に基づく逆止弁２８の僅かな開放によって加熱装置２４を介して第１の流体管路２０内に生じる流体流よりはまだ大きく、全体として、流出口に到来する混合流の僅かな冷却が生じる。
【００３６】
きわめて大きい温度差が予測される場合、ダイナミクスを増大させるために、付加的に冷却装置３２に付加的な冷却剤を供給するか、または加熱装置への付加的な通電を行い、より大きな温度差を補償することができる。このことは、第２の温度センサ４４および第３の温度センサ４６の測定値に依存して行うことができる。
【００３７】
当該調整装置は、相応に、制御弁の形態の単一の制御素子により、加熱された流体流または冷却された流体流を消費装置に供給することができ、ここでは、流体の直接の加熱および冷却が行われる。この場合、制御弁の制御は、第１の温度センサおよび場合によりさらなる温度センサの測定値に依存して行われる。相応に、制御弁を制御するための制御アルゴリズムが単純となる。当該システムは、特に高いダイナミクスを特徴としており、消費装置の動作状態が不安定で、これにより著しく大きな温度変動が発生しても、目標温度の制御を０．１℃未満の偏差で行うことができる。さらなる温度センサと、冷却装置および加熱装置のパワーの制御可能性とを使用することで、エネルギ消費を低減することができる。当該調整装置は、可動式の流体消費量測定システムにも定置式の流体消費量測定システムにも適する。
【００３８】
流体は通常きわめて低い温度を有するので、冷却装置の使用はしばしば省略可能であることは明らかである。この場合、第１の流体管路の加熱装置のみが設けられ、第２の流体管路内の流体流には冷却も加熱も行われない。さらに、制御弁および逆止弁の位置が交換される場合にも、同じ制御機能を満たすことができる。また、場合によっては第２の温度センサおよび第３の温度センサを省略することができ、または他の制御素子を冷却装置もしくは加熱装置の冷却剤路もしくは加熱路に配置することもできる。
【００３９】
これに代えて、流体がきわめて高い温度を有する場合、加熱装置を省略することもできる。この場合、第２の流体管路の冷却装置のみが設けられ、第１の流体管路内の流体流には冷却も加熱も行われない。ここでの残りの実施形態は、上述した、冷却装置を省略した場合の実施形態に対応しうる。
【図１】
2021519457.tif 000003
【国際調査報告】
2021519457.tif 000004
2021519457.tif 000005
2021519457.tif 000006
2021519457.tif 000007