JP2019510917A - 流体流システムに使用されるサセプタ - Google Patents

Abstract

加熱流体流システムに利用されるサセプタが提供される。一形態において、サセプタは、導管内に配置され、少なくとも１つの加熱エレメントから放射エネルギーを吸収し、導管及び／又は他の構成要素の壁の少なくとも１つにより放射エネルギーが吸収されることを抑制する。他の形態において、サセプタは、吸収し導管の外壁により放射エネルギーが吸収させることを抑制する。【選択図】図２Ａ

Description

本開示は、ディーゼル排気や後処理システムのような、流体流用途、例えば車両の排気システムのための加熱及び検知システムに関する。

本部分の記述は、本開示に関する背景情報を単に提供するものであり、従来技術を構成するものではない可能性がある。

エンジンの排気系のような過渡的な流体流用途において物理センサを使用することは、振動や熱サイクルのような過酷な環境条件のため困難である。既知の温度センサは、管状エレメントを保持する支持ブラケットにその後溶接されるサーモウェルの内部に鉱物で絶縁されたセンサを含んでいる。残念ながら、この設計は、安定に至るまでに長時間を要し、振動の多い環境では物理センサが損傷する可能性がある。

物理センサは、多くの用途において実際の抵抗素子温度の不確実性も提示し、その結果、ヒータ電力の設計に大きな安全マージンがしばしば適用される。したがって、一般に低ワット密度を提供する物理的センサと共に使用されるヒータは、大きなヒータサイズとコスト（抵抗素子の表面領域に亘って同じヒータ電力が広がる）を犠牲にして、ヒータが損傷するリスクを低減する。

さらに、既知の技術は、温度制御ループにおいて、外部センサからのオン／オフ制御又はＰＩＤ制御を使用する。外部センサは、配線とセンサ出力と間の熱抵抗による固有の遅延を有している。どんな外部センサも、構成要素の欠陥モードのポテンシャルを高め、システム全体に任意の機械的マウントの制限を設定する。

流体流システムにおけるヒータの１つの用途は、車両排気であり、これらは、大気中への種々のガスの望ましくない放出や他の汚染物質の放出の低減を補助するため内燃エンジンに結合される。これら排気システムは、ディーゼル微粒子フィルタ（diesel particulate filters ：ＤＰＦ）、触媒コンバータ、選択式触媒還元（selective catalytic reduction：ＳＣＲ）、ディーゼル酸化物触媒（diesel oxidation catalyst ：ＤＯＣ）、リーンＮＯｘトラップ(lean NOx trap ：ＬＮＴ)、アンモニアスリップ触媒、又は改質器などの後処理装置を典型的に含んでいる。ＤＰＦ、触媒コンバータ、及びＳＣＲは、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）、粒子状物質（ＰＭｓ）、及び排気ガス中に含まれる未燃焼炭化水素（ＨＣｓ）を捕捉する。ヒータは、排気温度を上昇させて触媒を活性化するため、及び／又は排気システムにおいて捕捉された粒子状物質、又は未燃焼炭化水素を燃焼させるため定期的又は所定の時間に活性化されてもよい。

ヒータは、排気管又は排気システムの容器などの構成要素に一般に設置される。ヒータは、排気管内に複数の加熱エレメントを含み、典型的には同じ熱出力を提供するために同じ目標温度に制御される。しかしながら、温度勾配は、典型的には、隣接する加熱エレメントからの異なる熱放射、及び加熱エレメントを流れる異なる温度の排気ガスのような、異なる運転条件のために生じる。例えば、下流加熱エレメントは、上流加熱エレメントによって加熱されたより高い温度を有する流体に曝されるので、一般に上流エレメントよりも高い温度を有する。さらに、中間加熱エレメントは、隣接する上流及び下流加熱エレメントからより多くの熱放射を受ける。

ヒータの寿命は、最も過酷な加熱条件下にあり、最初に故障する加熱エレメントの寿命に依存する。どの加熱エレメントが最初に故障するかを知らずにヒータの寿命を予測することは困難である。すべての加熱エレメントの信頼性を向上させるために、加熱エレメントは、加熱エレメントのいずれかの故障を回避する安全率で動作するように典型的に設計される。したがって、あまり過酷でない加熱条件下にある加熱エレメントは、典型的には、それらの最大利用可能な熱出力をはるかに下回る熱出力を生成するように動作される。

本開示において、装置は加熱された流体流内でサセプタとして機能するため、すなわち、他の高質量システムエレメントにより吸収されるであろう加熱エレメントからの放射エネルギーを吸収するため、及び吸収されたエネルギーを加熱されている流体の流れに移すため使用される。したがって、温度上昇の速度は、暖機中の流体流内の構造エレメントなどの高質量エレメントにより吸収される放射力を低減することにより改善することができる。一形態において、流体流を通すために使用される導管が提供され、この導管は、導管の外側境界を規定する少なくとも１つの壁を有し、導管内を流体流が通ることを可能とするために形成される。少なくとも１つの加熱エレメントは、加熱された導管に近接して配置され、流体流を加熱するために動作可能である。サセプタは、ヒータに隣接して配置され、加熱エレメントの少なくとも１つからの放射エネルギーを吸収するために適合され、導管の少なくとも１つの壁により放射エネルギーが吸収されることを抑制する。

他の形態において、排気流体流を送るために適合された導管を含むディーゼルエンジン排気システムが提供される。導管はディーゼル排気システムの触媒システムより上流に配置される。ディーゼルエンジン排気システムは、導管の少なくとも一部を規定する外壁に近接して配置された少なくとも１つの加熱エレメント、及び導管内に配置され、少なくとも１つの加熱エレメントからの放射エネルギーを吸収し、放射エネルギーが導管の外壁により吸収されることを抑制するために適合されたサセプタをさらに含む。

適用性のさらなる領域は、本明細書で提供される説明から明らかになるであろう。説明及び特定の実施例は、例示のみを目的としており、本開示の範囲を限定するものではないことを理解されたい。

本開示が十分に理解され得るため、添付の図面を参照して、例として与えられた様々な形態について説明する。

図１は、本開示の原理が適用されるディーゼルエンジン及び排気後処理システムの用途を例示する概略図。 図２Ａは、本開示の教示による加熱された流体流用途内に実装されたサセプタの一形態を例示する側断面図。 図２Ｂは、本開示の教示による図２Ａのサセプタを例示する正面断面図。 図３は、本開示の教示による加熱された流体流用途内に実装されたサセプタの他の形態を例示する側断面図。 図４は、本開示の教示による加熱された流体流用途内に実装されたサセプタのさらなる他の形態を示す側断面図。 図５は、本開示の教示による加熱された流体流用途内に実装されたサセプタのさらなる他の形態を示す側断面図。 図６は、本開示の教示による加熱された流体流用途内に実装されたサセプタの他の形態を示す側断面図。 図７は、本開示の教示による加熱された流体流用途内に実装されたサセプタの他の形態を示す側断面図。 本明細書に記載された図面は、説明目的のみのためのものであり、本開示の範囲を限定するものではない。

以下の説明は、本質的に単に例示的なものであり、本開示、用途、又は使用を限定するものではない。図面を通して、対応する参照符号は、同様の又は対応する部分及び特徴を示すことが理解されるべきである。

図１を参照すると、例示されたエンジンシステム１０は、一般に、ディーゼルエンジン１２、オルタネータ１４（又は幾つかの用途では発電機）、ターボチャージャ１６、及び排気後処理システム１８を含む。排気後処理システム１８は、ターボチャージャ１６の下流に配置され、排気ガスが大気に放出される前に、ディーゼルエンジン１２からの排気ガスを処理する。排気後処理システム１８は、所望の結果を達成するため、排気流体の流れをさらに処理するために動作可能な１つ又は複数の追加の構成要素、装置、又はシステムを含むことができる。図１に示す例において、排気後処理システム１８は、加熱システム２０と、ディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ）２２と、ディーゼル微粒子フィルタ装置（ＤＰＦ）２４と、選択式触媒還元装置（ＳＣＲ）２６を含んでいる。排気後処理システム１８は、その中のヒータセンブリ２８を受ける上流排気導管３２、ＤＯＣ２２とＤＰＦ２４が設けられた中間排気導管３４及びＳＣＲ２６が配置された下流排気導管３６を含む。

本明細書に図示されかつ説明されたエンジンシステム１０は単なる例示であり、したがって、ＮＯｘ吸着材、又はアンモニア酸化触媒などの他の構成要素が含まれてもよく、ＤＯＣ２２、ＤＰＦ２４、及びＳＣＲ２６のような他の構成要素は使用しなくてもよい。ディーゼルエンジン１２が示されているが、本開示の教示は、ガソリンエンジン及び他の流体流用途にも適用可能であることを理解されたい。したがって、ディーゼル機関の用途は、本開示の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。このような変形は、本開示の範囲内にあると解釈されるべきである。

加熱システム２０は、ＤＯＣ２２の上流に配置されたヒータセンブリ２８と、ヒータセンブリ２８の動作を制御するヒータ制御モジュール３０とを含む。ヒータセンブリ２８は、１つ以上のヒータを含むことができ、少なくとも１つの抵抗発熱体を含む。ヒータセンブリ２８は、作動中に流体の流れを加熱するために排気流体の流路内に配置される。ヒータ制御モジュール３０は、典型的には、ヒータセンブリ２８からの入力を受けるために適合された制御装置を含む。ヒータセンブリ２８の動作の制御の例は、ヒータセンブリを“オン”及び“オフ”にすること、単一ユニットとしてのヒータセンブリ２８への電力を調整すること、及び／又は、利用可能であれば、抵抗加熱エレメントの個々又はグループのような、別々のサブコンポーネントへの電力を調整すること、及びそれらの組み合わせを含むことができる。

１つの形態において、ヒータ制御モジュール３０は制御装置を含む。制御装置は、ヒータセンブリ２８の少なくとも１つのヒータと通信する。制御装置は、排気流体流、排気流体流の質量速度、少なくとも１つの電気ヒータの上流の流れ温度、少なくとも１つの電気ヒータの下流の流れ温度、少なくとも１つの電気ヒータへの電力入力、加熱システムの物理的特性に由来するパラメータ、及びそれらの組み合わせ含まれるが、これらに限定されない少なくとも１つの入力を受けるために適合される。ヒータは、排気流体を加熱するのに適した任意のヒータとすることができる。例示的な電気ヒータは、バンドヒータ、裸線抵抗加熱エレメント、ケーブルヒータ、カートリッジヒータ、積層ヒータ、ストリップヒータ、及び管状ヒータを含むが、これらに限定されない。

図１に示すシステムは、ヒータセンブリ２８より下流に配置されたＤＯＣ２２を含む。ＤＯＣ２２は、排気ガス中の一酸化炭素や未燃炭化水素を酸化するための触媒として働く。さらに、ＤＯＣ２２は、一酸化窒素（ＮＯ）を二酸化窒素（ＮＯ２）に変換する。ＤＰＦ２４は、排気ガスからディーゼル粒子状物質（ＰＭ）又は煤を除去することを助けるため、ＤＯＣ２２の下流に配置される。ＳＣＲ２６は、ＤＰＦ２４の下流に配置され、触媒を用いて、窒素酸化物（ＮＯｘ）を窒素（Ｎ２）及び水に変換する。尿素水溶液噴射装置２７は、尿素水溶液を排気ガスの流れに噴射するため、ＤＰＦ２４の下流でＳＣＲ２６の上流に配置される。尿素水溶液がＳＣＲ２６で還元剤として使用される場合、ＮＯｘは、Ｎ２、Ｈ２Ｏ及びＣＯ２に還元される。

図２Ａ及び２Ｂを参照すると、流体流用途内に使用されるサセプタの一形態が例示され、参照符号２００により全体として示されている。図示されるように、導管２０２は、その内部に位置されたサセプタ２００を含み、図１に例示されるような流体流システム又は排気システムに適合されることが可能である。導管２０２は、流体流を通すように動作可能であり、本例においては、円錐壁２０４、缶壁２０８、及びパイプ壁２０６を含んでいる。サセプタ２００は、導管２０２の内部に配置され、より具体的には、導管２０２の外側境界を規定する円錐壁２０４、缶壁２０８及びパイプ壁２０６に沿い、流体流が導管２０２内を通ることが可能に形成されている。

さらに示されるように、少なくとも１つの加熱エレメント２１０が、流体流を加熱するために導管２０２に近接して配置される。本開示の教示には、任意の形式のヒータを使用することができることを理解されたい。サセプタ２００は、円錐壁２０４、缶壁２０８、及びパイプ壁２０６により吸収されるであろう放射エネルギーを吸収することができるように、図示するように導管２０２に比べて比較的薄い壁で囲まれたエレメントである。この例示的な形態において、様々な壁２０４、２０６、及び２０８は、より高い熱質量を有し、その熱の一部が外部環境、例えば対流又は絶縁ジャケットを通る伝導で失われるので、多くの熱は、流れに移らないであろう。サセプタ２００は、構造支持体２１２による適用要求に従って、円錐壁２０４、缶壁２０８、及び管壁２０６によって支持され、それらから離間され得る。別の形態において、サセプタ２００は、サセプタからの熱移動を低減するように適合された反射材料（図示せず）を含んでいる。さらに別の形態では、サセプタ２００は、導管２０２の壁２０４、２０６、２０８のうちの１つ又は全てから隔離されることができる。

別の形態において、ディーゼルエンジン排気システムは、ディーゼル排気システムの触媒システムの上流に位置する排気流体流を送るように適合された導管２０２を含む。少なくとも１つの加熱エレメント２１０が、導管２０２の少なくとも一部を規定する外壁に近接して配置される。この形態では、サセプタ２００は、導管２０２内に配置され、放射エネルギーが導管２０２の外壁によって吸収されるのを吸収するように適合される。

図２Ａ及び図２Ｂに示すような一形態において、導管２０２は、流体流を加熱するために設けられた複数の加熱エレメント２１０を含んでいる。さらに、複数の加熱エレメント２１０は、ヒータの下流に配置され、１つ以上の時間期間中にヒータの下流の流れの温度を上昇させるために適合されてもよい。別の形態において、サセプタ２００は、少なくとも１つの加熱エレメント２１０からの放射エネルギーを吸収し、サセプタ２００が放射エネルギーを吸収している加熱エレメント２１０に隣接する少なくとも１つの加熱エレメント２１０によって放射エネルギーが吸収されるのを抑制するために適合される。

別の形態において、支持部材２１２は、少なくとも１つの加熱エレメント２１０と、流体流れに晒される別の構造部材との間に配置される。例えば、サセプタ２００は、加熱エレメント２１０のための支持構造として働くことができる。さらに、サセプタ２００は、導管の壁によって放射エネルギーが吸収されるのを抑制又は防止する目的で働き、導管は、制御装置及びスイッチングハードウェア、又はサセプタ２００が存在しない場合に放射エネルギーを吸収する他の構成要素を収容する。

このようなサセプタ２００の利点は、全体的により速く、かくして流体及び任意の下流の構成要素のより効率的な加熱である。排気加熱システムの１つの例示的な用途において、排気ガス後処理触媒を温度まで加熱する時間が望まれる場合がある。典型的には、システムのコールドスタートアップ時に、現在の触媒は閾値温度に達するまで有効ではない。この温度に達するまで、後処理システムは排気ガスの処理（例えば、ＳＣＲ触媒でＮＯｘを除去する）には有効ではない。触媒の温度上昇率を増加させることにより、最適に機能する排気ガス後処理システムを備えていないエンジンの運転時間を短縮することができ、本開示の教示に従ったサセプタの使用で、エンジン及び後処理システムによって放出される総汚染量を同様に低減することができる。

サセプタの別の形態として、同心円状ルーバ２３０、放射ブレード２４０（圧縮ステージに類似）、円周フィン２５０、ライナ２６０、又は螺旋状部材２７０が図３〜図７に示されている。これらの代替形態のサセプタは単なる例示であり、本開示の教示に従って加熱速度を増加させるために、流体流加熱用途においてサセプタとして機能するため、幾何学的形状及び材料を使用することができる。

サセプタの追加の変形例は、例示する方法により、缶又はパイプ壁に面する側を反射材料から外すことによって、又は導管の壁から面を絶縁することによってサセプタの効率を向上させることを含むことができる。これにより、熱がサセプタから缶壁を通って外気に移動するのを制限し、代わりに熱を排気ガスに戻すのに役立つ。周囲の構成要素／空気に対する熱損失を低減するために、サセプタは缶壁及び／又は加熱エレメントから適切に隔離されるべきである。

さらに、サセプタを缶壁とエレメントとの間に配置し、より良好な機械的耐久性のためにより厚いシートメタルを設けることができる（熱的性能と構造的堅牢性との間のトレードオフが問題である場合）。

さらに、それと缶壁との間に断熱材を有するサセプタは、ヒータの外側に別の断熱装置を設ける必要性を低減できる。あるいは、サセプタは、特に非常に寒い条件において、特別な断熱のために、断熱ブランケット（図示せず）と一対にすることができる。

したがって、様々な異なる形態のヒータ、センサ、制御システム、及び関連する装置及び方法が、流体流システムで使用するためにここに開示されている。異なる形態の多くは、互いに組み合わせることができ、また、本明細書に記載されたデータ、方程式、及び構成に特有の追加の特徴を含むこともできる。そのような変形は、本開示の範囲内にあると解釈されるべきである。

本開示の説明は、本質的に単なる例示であり、したがって、本開示の内容から逸脱しない変形は、本開示の範囲内にあるものとする。そのような変形は、開示の精神及び範囲からの逸脱と見なすべきではない。

Claims (21)

1. 流体流を送ることに使用する導管であって、
   前記導管の外側境界を規定し、前記導管を通る流体流を可能にするように構成された少なくとも１つの壁と、
   加熱された前記導管に近接して配置され、前記流体流を加熱するように動作可能な少なくとも１つの加熱エレメントと、
   前記加熱エレメントに隣接して配置され、前記少なくとも１つの前記加熱エレメントからの放射エネルギーを吸収し、放射エネルギーが前記導管の少なくとも１つの壁によって吸収されることを抑制するために適合されたサセプタと、
   を具備する導管。
2. 前記流体流を加熱するために適合された複数の加熱エレメントをさらに具備する請求項１記載の導管。
3. 前記サセプタは、放射エネルギーが隣接する加熱エレメントにより吸収されることを抑制するために適合される請求項２記載の導管。
4. 前記サセプタは、少なくとも１つの加熱エレメントに支持構造を提供する請求項１記載の導管。
5. 前記サセプタは、支持部材により前記導管の少なくとも１つの壁から離間され、支持される請求項１記載の導管。
6. 前記サセプタは、前記導管の少なくとも１つの壁の内側に配置された少なくとも１つのサセプタ壁を具備し、前記サセプタ壁は、前記導管の少なくとも１つの壁の厚みより薄い請求項１記載の導管。
7. 前記サセプタは、前記サセプタからの放射熱の移動を低減する反射材料を具備する請求項１記載の導管。
8. 前記サセプタは、前記導管の少なくとも１つの壁から隔離される請求項１記載の導管。
9. 前記サセプタは、同心円状ルーバ、放射ブレード、円周フィン、ライナ、螺旋状部材、及びこれらの組み合わせからなるグループから選択された構成を具備する請求項１記載の導管。
10. 前記流体流内で前記導管の下流に配置された第２加熱エレメントをさらに具備する請求項１記載の導管。
11. 前記サセプタは、前記第２加熱エレメントと前記少なくとも１つの加熱エレメントとの間に配置される請求項１０記載の導管。
12. 請求項１記載の前記導管を有するディーゼルエンジン排気システムであって、前記システムは、
    前記ディーゼル排気システムの触媒システムより上流に配置され、排気流体流を送るために適合された前記導管と、
    前記導管の少なくとも一部を規定する外壁に近接して配置された少なくとも１つの加熱エレメントと、
    前記加熱エレメントに隣接して配置され、前記少なくとも１つの加熱エレメントからの放射エネルギーを吸収し、前記放射エネルギーが前記導管の外壁により吸収されることを抑制するために適合されたサセプタと
    を具備する。
13. 前記流体流を加熱するために適合された複数の加熱エレメントをさらに具備する請求項１２記載のディーゼルエンジン排気システム。
14. 前記サセプタは、前記少なくとも１つの加熱エレメントに支持構造を提供する請求項１２記載のディーゼルエンジン排気システム。
15. 前記サセプタは、同心円状ルーバ、放射ブレード、円周フィン、ライナ、螺旋状部材、及びこれらの組み合わせからなるグループから選択された構成を具備する請求項１２記載のディーゼルエンジン排気システム。
16. 前記サセプタは、支持部材により前記外壁から隔離される請求項１２記載のディーゼルエンジン排気システム。
17. 前記サセプタは、前記サセプタからの放射熱の移動を低減する反射材料を具備する請求項１２記載のディーゼルエンジン排気システム。
18. 前記サセプタは、前記導管の少なくとも１つの壁の内側に配置された少なくとも１つのサセプタ壁を具備し、前記サセプタ壁は、前記導管の少なくとも１つの壁の厚みより薄い請求項１２記載のディーゼルエンジン排気システム。
19. 前記サセプタは、前記導管の少なくとも１つの壁から隔離される請求項１２記載のディーゼルエンジン排気システム。
20. 前記サセプタと前記導管の前記外壁との間の断熱材をさらに具備する請求項１２記載のディーゼルエンジン排気システム。
21. 前記サセプタは、断熱ブランケットと一対とされる請求項１２記載のディーゼルエンジン排気システム。

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