РЕЗЕРВУАР И БАК, ОБОРУДОВАННЫЕ САМОРЕГУЛИРУЮЩИМСЯ НАГРЕВАТЕЛЬНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ
CONTAINER AND TANK, WHICH ARE EQUIPPED WITH SELF-ADJUSTING HEATING ELEMENT

Настоящее изобретение относится к резервуару для содержания определенного количества текучей среды внутри бака, причем резервуар оборудован первым резистивным элементом, предназначенным для нагревания первой части указанного бака, и вторым резистивным элементом, предназначенным для нагревания второй части указанного бака, причем второй резистивный элемент имеет положительный температурный коэффициент.
В Патентной заявке США 2009/0078692 А1, поданной Старком, описана нагревательная система для жидкостной конвейерной системы, в частности для системы подачи мочевины каталитического конвертера двигателя внутреннего сгорания. Система согласно Старку содержит нагреватель фильтра и нагреватель бака, которые оба относятся к резистивному типу. Нагреватель фильтра образуется нагревательной секцией соединительной линии, подающей электрический ток на элемент с положительным температурным коэффициентом нагревателя бака. Эта конструкция предлагает нагреватель фильтра и нагреватель бака как два резистивных элемента последовательно, где нагреватель бака содержит элемент с положительным температурным коэффициентом нагревателя для регулирования силы тока, поступающего в последовательную схему. Целью системы согласно Старку является нагрев и фильтра, и бака в степени, достаточной для того, чтобы обеспечить присутствие жидкого раствора мочевины даже в случае, когда окружающая температура ниже температуры замерзания жидкого раствора мочевины, избегая при этом перегрева или ненужного расхода энергии нагревателями после достижения нужной температуры. Известная схема достигает нужного эффекта путем использования элемента с положительным температурным коэффициентом во втором нагревателе, расположенном последовательно с первым нагревателем, ограничивая таким образом силу тока в обоих нагревателях за счет характеристик температурного сопротивления элемента с положительным температурным коэффициентом и характера последовательной схемы.
Существующее решение не обеспечивает достаточной свободы при модулировании соответствующего количества энергии, которое рассеивается в различных частях бака, таких как нагреватель фильтра и нагреватель бака.
Настоящее изобретение позволяет решить эту проблему путем добавления степени свободы в конструкции, представленной резистором с третьим нагревательным элементом.
Таким образом, предпочтительно предлагается резервуар для содержания определенного количества текучей среды в баке, причем указанный резервуар оборудован первым резистивным элементом, предназначенным для нагревания первой части указанного бака, и вторым резистивным элементом, предназначенным для нагревания второй части указанного бака, причем указанный второй резистивный элемент имеет положительный температурный коэффициент, а указанный резервуар содержит также третий резистивный элемент, предназначенный для нагревания указанной второй части указанного бака, указанный второй резистивный элемент и указанный первый резистивный элемент образуют параллельную схему, и указанный первый резистивный элемент последовательно соединен с указанной параллельной схемой.
Резистивные нагревательные элементы, имеющие положительный температурный коэффициент, хорошо известны в технике. Термин «материалы РСТ» понимают как включающий любой материал, в котором электрическое удельное сопротивление значительно возрастает при повышении температуры. В частности, материалы, в которых удельное сопротивление возрастает в два или более раза в диапазоне температур от -11°С до +50°С, могут успешно быть применены в настоящем изобретении. Элементы РСТ могут содержать композиты из металлических и неметаллических элементов. Элементы РСТ могут также содержать полупроводники.
Другим преимуществом представленной здесь схемы является то, что нагреватель продолжает работать, когда элемент РСТ достигает очень высоких значений удельного сопротивления со скоростью, которая определяется выбором резисторов, вместо того, чтобы по существу отключиться, что предусмотрено в существующих технических решениях.
В одном варианте реализации первый резистивный элемент помещают с внешней стороны резервуара и второй резистивный элемент и третий резистивный элемент помещают внутри резервуара. В определенном варианте реализации второй резистивный элемент помещают на вспомогательном приспособлении бака. В более конкретном варианте реализации вспомогательным приспособлением является насос.
В варианте реализации резервуара согласно настоящему изобретению второй резистивный элемент выпускают с покрытием из термопластического материала.
Согласно другому аспекту предлагается бак для текучей среды для транспортного средства, содержащий резервуар согласно настоящему изобретению. В варианте реализации резервуар помещают по существу в нижней части бака для текучей среды для транспортного средства.
Согласно еще одному аспекту предлагается применение в баке для текучей среды для транспортного средства схемы, содержащей первый резистивный элемент для нагревания первой части указанного бака и второй резистивный элемент для нагревания второй части указанного бака, причем указанный второй резистивный элемент имеет положительный температурный коэффициент, и третий резистивный элемент для нагревания указанной второй части указанного бака, и причем указанный второй резистивный элемент и указанный третий резистивный элемент соединяются параллельно и указанный первый резистивный элемент соединяется последовательно с указанным вторым резистивным элементом и указанным третьим резистивным элементом.
В варианте реализации применения настоящего изобретения баком для текучей среды для транспортного средства является бак для содержания раствора мочевины.
Далее некоторые варианты реализации устройства и/или способы согласно вариантам реализации настоящего изобретения описаны исключительно в качестве примера и со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
на фиг.1 проиллюстрирован резервуар с мочевиной, содержащий гибкий нагреватель согласно существующим техническим решениям, в котором может быть использован нагревательный элемент согласно изобретению;
на фиг.2 проиллюстрирован вариант реализации резервуара, содержащего нагревательный элемент согласно одновременно поданной на рассмотрение заявке на имя заявителя, в котором может быть использован нагревательный элемент согласно изобретению;
на фиг.3 схематически показана электронная схема нагревательного элемента согласно изобретению; и
на фиг.4 показана схема рассеяния энергии от различных нагревательных элементов, показанных на фиг.3.
На фиг.1 проиллюстрирован бак с мочевиной и резервуар 1 с гибкими нагревательными средствами 2 согласно известному техническому решению. Там, где нагревательный элемент 2 используется для того, чтобы избежать замораживания в баке для текучей среды для транспортного средства, таком как бак, предназначенный для содержания раствора мочевины, применяемого в системе уменьшения выбросов, активное приспособление 10 накопительной и/или инжекторной системы предпочтительно помещается в резервуаре 1. Активное приспособление 10 может содержать насос, уровнемер, датчик температуры, датчик качества, датчик давления, регулятор давления или подобные приборы. Резервуар 1 содержит базовую пластину или монтажную пластину и периметр любой формы. Путем помещения активного приспособления 10 в резервуар активное приспособление может быть снабжено предполагаемой текучей средой для транспортного средства, как только содержимое резервуара достигнет достаточно высокой температуры для обеспечения текучести. Так, например, в случае если бак предназначен для хранения эвтектического раствора из воды и мочевины, содержимое резервуара необходимо нагреть до -11°С, т.е. температуры плавления такого раствора.
На фиг.2 проиллюстрирован вариант реализации резервуара согласно изобретению. Резервуар 101, показанный на фиг.1, может быть резервуаром, предназначенным для нагревания части раствора, присутствующего в баке для текучей среды для транспортного средства, таком как бак с раствором мочевины. Резервуар 101 оборудован гибким нагревательным элементом, который содержит по меньшей мере один резистивный провод 102, который выделяет тепло под воздействием электрического тока. Резистивный провод 102 может быть преимущественно выполнен из медно-никелевого сплава или из нержавеющей стали.
Резистивный провод обводится направляющими средствами 103, действующими на нескольких отдельных местах по длине провода, для того чтобы ограничивать нагревательную поверхность, помещенную частично внутри и частично снаружи резервуара. Таким образом, вещество, находящееся внутри резервуара 101, может нагреваться до температуры, которая обеспечивает текучесть, гарантируя таким образом доступность жидкого вещества для любых активных приспособлений, которые могут быть помещены внутри резервуара 101, в то время как вещество, непосредственно окружающее резервуар 101, уже предварительно нагрето для подачи в случае необходимости объема, присутствующего внутри резервуара 101.
В этом варианте реализации направляющими средствами 103 являются ленты из пластика. Возможны другие направляющие средства, включая пластиковые или металлические сетки. Преимущество металлических сеток заключается в том, что они являются свободно стоящими и могут проводить тепло. Проводящий провод 102 может сам иметь форму металлической сетки.
В этом варианте реализации направляющие средства 103 применяются таким образом, что часть полученной нагревательной поверхности, находящейся снаружи резервуара, имеет по существу форму кринолина. При этой форме или других формах с по существу круговой симметрией резистивный провод 102 изогнут по спирали или множество отрезков резистивного провода 102 уложены по существу концентричными кругами.
Аналогичным образом могут быть получены другие формы. Полученные таким образом поверхности не ограничиваются плоскостями и свернутыми вариантами плоскости, но могут демонстрировать кривизну по нескольким осям. Здесь, например, возможны сферические поверхности.
Нагревательная поверхность прикреплена к резервуару 101 крепежным средством 104 для того, чтобы гарантировать, что она останется на месте во время использования.
P
На фиг.3 показана схема, иллюстрирующая предпочтительное электрическое соединение различных частей нагревательного элемента согласно изобретению. Источником питания  может быть любой подходящий источник электрического тока, известный специалисту. Элементы R1, R2 и R3 являются нагревательными элементами, как описано ниже.
Резистор R1 представляет первый нагревательный элемент, предпочтительно первый отрезок резистивного провода 102, находящийся снаружи резервуара 101, т.е. содержится в первой части нагревательной поверхности, как описано выше.
Элемент R2 является элементом, предназначенным для контроля распределения энергии между первой и второй частью нагревательной поверхности.
Резистор R3 представляет третий нагревательный элемент, предпочтительно другой отрезок резистивного провода 102, находящийся внутри резервуара 101, т.е. содержащийся во второй части нагревательной поверхности, как описано выше.
В теоретической модели элемент R2 может рассматриваться как выключатель или любое подходящее сочетание компонентов, взаимодействующих для действия в качестве выключателя, который, будучи закрыт, закорачивает резистор R1, предотвращая таким образом нагревание первой частью нагревательной поверхности. Эта модель обнаруживает преимущество, которое заключается в том, что нагревательный элемент может развертываться в двух фазах: первой фазе с закрытым выключателем R2, когда нагревается только внутренняя часть резервуара 101, чтобы обеспечить быстрый пуск систем, который зависит от наличия нагретого или жидкого вещества, и второй фазе с открытым выключателем R2, во время которой нагревается также периферийная область снаружи резервуара 101.
В этом варианте реализации элемент R2 может быть резистором с положительным температурным коэффициентом, помещенным внутри резервуара. Элемент R2 может содержаться во второй части нагревательной поверхности, как описано выше. Преимущество этого варианта реализации заключается в том, что описанные выше фазы будут теперь происходить автоматически и постепенно. Когда при нагревании изнутри резервуара 101 сопротивление элемента R2 возрастает, это ведет к усилению возрастания доли имеющегося тока, проходящей через резистор R1. Нагревание элемента R2 соответствует постепенному открыванию теоретического выключателя.
Использование схемы с фиг.3, в которой R2 является резистором с положительным температурным коэффициентом (РТС), удобно также в других видах нагревателей помимо тех, которые описаны выше. В обобщенном виде резистор R3 представляет собой нагревательный элемент, помещенный внутри резервуара, или в предназначенном для решения важных задач приспособлении, таком как насос, и резистор R1 представляет собой нагревательный элемент, находящийся снаружи резервуара.
Таким образом, предпочтительно предлагается резервуар, предназначенный для содержания определенного количества текучей среды в баке, причем указанный резервуар оборудован первым резистивным элементом R1, предназначенным для нагревания первой части указанного бака и второй резистивный элемент R2, предназначенный для нагревания второй части указанного бака, и указанный второй резистивный элемент R2 имеет положительный температурный коэффициент, причем указанный резервуар содержит также третий резистивный элемент R3, предназначенный для нагревания указанной второй части указанного бака, и указанный второй резистивный элемент R2 и указанный первый резистивный элемент R1 образуют параллельную схему, а указанный третий резистивный элемент R3 последовательно соединен с указанной параллельной схемой.
В приведенном в качестве примера варианте реализации R3 по существу является резистором сопротивлением 1 Ом, R1 по существу является резистором сопротивлением 3 Ом и R2 является по существу элементом РТС с сопротивлением 1 Ом при первоначальной низкой температуре и с сопротивлением 3 Ом при последующей рабочей температуре. При использовании источника питания напряжением 12 В, обычного для автомобилей, в показанной схеме резервуар будет первоначально получать 47,0 Вт энергии от R3 и 26,4 Вт энергии от R2, или 73,4 Вт всего. После достижения рабочей температуры резервуар будет получать только 23,0 Вт энергии от R3 и 17,3 Вт энергии от R2, или 40,3 Вт всего. Остальной бак будет получать первоначально 8,8 Вт энергии от R1 с повышением до 17,3 Вт после достижения R2 рабочей температуры.
В другом приведенном в качестве примера варианте реализации, направленном на первоначальное рассеивание всей энергии в объеме приблизительно 100 Вт, и R1, и R3 имеют сопротивление 0,95 Ом, R2 выбран так, чтобы иметь сопротивление 1,0 Ом при первоначальной низкой температуре и сопротивление 2,8 Ом при последующей рабочей температуре. При использовании источника питания напряжением 12 В резервуар будет первоначально получать 67,4 Вт энергии от R3 и 16,8 Вт энергии от R2, или 84,2 Вт всего. После достижения рабочей температуры резервуар будет получать только 49,9 Вт энергии от R3 и 9,5 Вт энергии от R2, или 59,4 Вт всего. Остальной бак будет получать первоначально 16,8 Вт энергии от R1 с повышением до 27,6 Вт после достижения R2 рабочей температуры. Это изменение рассеивания энергии проиллюстрировано на диаграмме на фиг.4. Горизонтальная ось этой диаграммы представляет сопротивление R2. При повышении со временем температуры под влиянием работы нагревательных элементов и при повышении сопротивления R2 с повышением температуры как последствии положительного температурного коэффициента R2 горизонтальная ось диаграммы может рассматриваться как эквивалент оси времени. Однако точная временная зависимость будет зависеть от тепловых условий окружающей среды, в которую помещены нагревательные элементы, и от фактической зависимости от температуры сопротивления R2.
В приведенных выше примерах первоначальная низкая температура может быть равна -11°С, а последующая рабочая температура может составлять от 40°С до 50°С. Общее количество энергии, рассеянной различными нагревательными элементами в резервуаре согласно настоящему изобретению, предпочтительно выбирают согласно условиям окружающей среды и нормативным требованиям, действующим на том рынке, на котором должна применяться система.
Элемент РТС в резервуаре согласно настоящему изобретению экранирован от текучей среды, которая может содержаться в резервуаре. Для этого элемент РТС предпочтительно покрывают подходящим термопластическим материалом во время или после изготовления резервуара. Выбранный термопластический материал должен быть способен противостоять диапазону температур, при которых работает нагревательный элемент, предпочтительно в диапазоне от -40°С до +50°С.
Кроме того, необходимо обеспечить электроизолированное и герметичное соединение между элементом РТС и проводами, подающими электрический ток на элемент РТС. Такое соединение может быть получено путем использования усадочной трубки, выполненной из подходящего эластомерного или полимерного соединения или механического гофрированного соединения.
Резервуар согласно изобретению предпочтительно устанавливают внутри бака, такого как бак для текучей среды для транспортного средства, предпочтительно в легковом транспортном средстве. Для оптимальной работы его предпочтительно помещают в нижней части или по меньшей мере в нижней точке бака, где основная масса текучей среды должна естественно присутствовать благодаря силе тяжести. Наружная часть гибкого нагревательного элемента предпочтительно размещается по резервуару так, чтобы обеспечить подачу предварительно нагретой текучей среды в направлении резервуара.
Ответвления нагревательной поверхности или отрезки резистивного провода могут проходить в полости или периферийные области бака для того, чтобы избежать долгосрочного присутствия замороженного вещества на этих местах.
Ответвления нагревательной поверхности или отрезки резистивного провода могут также проходить внутрь или вокруг труб и каналов, которые являются частью системы транспортировки текучей среды в бак и из него для того, чтобы избежать закупоривания этих труб и каналов замерзшим веществом.
В варианте реализации нагревательная поверхность приспособлена для того, чтобы быть складывающейся подобно зонтику. Этот вариант реализации имеет то преимущество, что нагревательный элемент может комбинироваться с резервуаром, уже присутствующим в баке, путем ввода нагревательного элемента в бак в сложенной форме и его развертывания внутри бака.
Изобретение описано выше со ссылкой на некоторые приведенные в качестве примера варианты реализации. Эти варианты реализации предназначены для того, чтобы служить исключительно иллюстрациями, и не ограничивают изобретение, объем которого определяется прилагаемой формулой изобретения.