限制在冰中的液体泡中压强的均衡器

摘要

本发明涉及一种压强均衡器(3)，其用于调节包含在由壁(10、11、12)封闭的储箱(1)中的液体泡(L)中的压强，该液体泡完全封闭在上方有气体体积(V)且正在冻结的冰体积(G)中。该均衡器包括由位于主体(301)上的头部(300)形成的浸入部(30)。所述浸入部(30)的主体(301)的面具有沿着竖直方向自上而下的为零或正的脱出斜角(a)。

权利要求

1.一种储箱(1)，该储箱被壁(10、11、12)封闭，并包括压强均衡器(3)，该压强均衡器用于调节液体泡(L)中的压强，该液体泡完全封闭在上方有气体体积(V)的正在冻结的冰体积(G)中，其特征在于，所述压强均衡器(3)包括沿竖直轴线可动的浸入部(30)，该浸入部由位于主体(301)上的头部(300)形成，所述浸入部(30)的主体(301)的面具有沿竖直方向自上而下的为零或正的脱出斜角(a)，所述浸入部(30)的主体(301)的高度(h)设置为使得所述主体(301)的下部部分(304)保持浸没在所述液体泡(L)中，并且使得所述主体(301)的上部部分(302)穿过上冰层留在所述气体体积(V)中，从而使得当所述浸入部(30)在施加在所述浸入部的主体(301)的保持浸没在所述液体泡(L)中的部分上的所述液体泡(L)中的压强的作用下回升时，在所述液体泡(L)所占据的空间中产生额外的体积，从而有助于降低该空间中的压强。

2.如权利要求1所述的储箱(1)，其中，所述浸入部(30)的主体(301)的脱出斜角角度(a)包括在2°到15°的范围内，以使得当所述浸入部回升时，在所述冰体积(G)与所述浸入部的主体(301)的表面之间形成空间，该空间使得包含在所述液体泡(L)中的液体逸出。

3.如权利要求1或2所述的储箱(1)，其中，所述浸入部(30)的主体(301)具有大致呈截锥形的形状。

4.如权利要求1或2所述的储箱(1)，其中，所述浸入部(30)的主体(301)基本上是不可压缩的。

5.如权利要求1或2所述的储箱(1)，其中，所述浸入部(30)的主体(301)由聚甲醛制成。

6.如权利要求1或2所述的储箱(1)，其中，所述浸入部(30)的头部(300)在空心柱体(31)中沿着竖直方向在上部限位与下部限位之间往返运动，所述空心柱体(31)固定到所述储箱(1)的上壁(10)。

7.如权利要求6所述的储箱(1)，其中，所述空心柱体(31)包括排气口(310)。

8.如权利要求1或2所述的储箱(1)，其中，装置(32)在所述浸入部的头部(300)上施加自上而下的预定的恒力。

9.如权利要求8所述的储箱(1)，其中，在所述浸入部的头部上施加自上而下的预定的恒力的所述装置由布置在空心柱体(31)中、夹置于所述浸入部的头部(300)与所述储箱(1)的上壁(10)之间的弹簧(32)形成，所述空心柱体(31)固定到所述储箱(1)的上壁(10)。

10.如权利要求1或2所述的储箱(1)，其中，所述浸入部(30)的头部(300)和主体(301)形成空心体，该空心体在上部部分由疏水性膜(306)封闭。

11.如权利要求1或2所述的储箱(1)，其中，所述浸入部(30)的头部(300)和主体(301)形成空心体，该空心体被闭孔泡沫填充。

12.如权利要求1或2所述的储箱(1)，该储箱包括竖直地安装在所述压强均衡器(3)下方的浸没的技术模块(2)。

说明书

限制在冰中的液体泡中压强的均衡器

技术领域

[0001] 本发明涉及机动车辆领域，更具体地说，涉及旨在包含可能会在车辆正常使用条件下结冰的液体的储箱。这些加工制造的储箱一般包括局部浸没的技术模块，在其中安装
有泵送装置以及液位或温度测量设备，以能够管理包含在储箱中的液体的配送。

背景技术

[0002] 包含尿素的储箱尤其是这样的，其常用于供给车辆尾气污染控制系统。该液体在温度下降到‑11℃以下时开始结冰。

[0003] 为此，在储箱中设置加热装置以避免尿素结冰。

[0004] 然而，当车辆在行驶一定时间之后停止时、且当达到例如约‑40℃的温度的严峻冬季外部条件下车辆停车在外时，这些装置将失去作用，包含在储箱中的尿素开始转换成冰，
并且这可能会导致全部尿素在数十分钟内冻结。

[0005] 在这些迅速冻结情况下，已观察到技术模块受损，这长期得不到解释，并可能会导致技术模块或其包含的部件完全损坏。

[0006] 实验室分析已能够显示出在该期间发生的物理现象。

[0007] 已将配备有技术模块并包含一定体积的尿素的封闭储箱放置并保持在大约为‑40℃的温度的冷腔室中。技术模块完全浸没在液体体积中。该液体体积之上有在整个实验期
间保持处于大气压的气态部分。同样地，技术模块的其它部件(例如泵或液位浮子)也处于
大气压。

[0008] 观察到在储箱的通过其进行热交换的壁附近开始形成冰。冰体积则通过向储箱的由技术模块占据的中央区域发展而增大。到给定的时间结束时，液体表面依次结冰。

[0009] 然后，观察到产生了在各方向上被结冰物质限制(包裹)的液体泡，并且技术模块的上部部分浸没在其中。

[0010] 更进一步的观察能够显示出：该完全被冰围绕的液体泡内的压强则可能会达到非常高的大约为数十巴(bar)的数值。

[0011] 该现象与形成泡的液体的压缩性低有关，并且与随着冰相继形成、该转变所导致的体积增大使得液体泡受到快速增长的压强有关。

[0012] 由此导致技术模块的处于大气压下的元件受到远高于组成它们的材料的强度的机械应力，这些材料变形直至断裂。

[0013] 当继续进行实验时，液体泡逐渐地自行消失，直至先前包含在储箱中的液体全部转换成冰。

[0014] 为了解决该已知问题，公开专利申请EP2829699提供了在施加压强下具有可变形腔，其连接到与外部大气联通的排气口。与形成冰有关的体积膨胀则通过可变形腔体积减
小而得到补偿。相似的实施方式也在公开专利申请DE102009029375、DE102006050808或
DE102015204621中说明，也设置了用于吸收冰体积变化的可变形元件。这些设备要求具有
适于在浸没体积中保持可压缩泡的装置。而且，这些在低温下工作的柔性膜具有降低的机
械特性和缩短的使用寿命。

[0015] 公开专利申请DE102008054629提供了穿透入液体泡的固定管道，受压液体能够通过该固定管道回升到表面。为了避免液体在管道内结冰，则必须设置特定的隔离或加热装
置。

发明内容

[0016] 根据本发明的包括压强均衡装置的储箱的目的在于提供一种能够克服上述问题的原创解决方案，该方案能够控制包含在由壁封闭的储箱中、且完全封闭在上方有气体体
积的正在冻结的冰体积中的液体泡的过压现象，以避免包含在储箱液体中的技术模块的元
件受损。

[0017] 由壁封闭的该储箱因此包括压强均衡器，该均衡器用于调节完全封闭在上方有气体体积的正在冻结的冰体积中的液体泡中的压强。

[0018] 压强均衡器包括沿竖直轴线可动的、由位于主体上的头部形成的浸入部，浸入部的主体的面具有沿竖直方向自上而下的为零或为正的脱出斜角，浸入部的主体的高度设置
为使得主体下部部分保持浸没在液体泡中，并且使得主体的上部部分穿过上冰层留在气体
体积中，从而使得当浸入部在施加在浸入部的主体的保持浸没在液体中的部分上的液体泡
中的压强的作用下回升时，在液体泡所占据的空间内产生额外的体积，该额外的体积有助
于降低该空间中的压强。

[0019] 当均衡器布置在储箱中，浸入部的主体大致布置在技术模块上方并伸入围绕所述模块的液体泡时，浸入部在液体泡中压强的作用下将回升，该回升能够在泡所占据的空间
内施放出额外的体积，从而有助于降低该空间中的压强。

[0020] 而且，通过合适地选择脱出斜角角度，当浸入部回升时在浸入部与之前限制浸入部的冰之间形成空间，其使得包含在泡中的液体能够向着形成冰块体与一般处于大气压的
气体体积之间的界面的结冰表面的方向逸出。液体泡中的压强重新下降，浸入部主体回落
以回到与冰接触。这些小的交替运动一直持续到液体泡完全转换成冰。

[0021] 上述两个机制的组合能够减小过压对技术模块部件的负面影响，并保护它们免受任何可能会使这些设备不能用的损害。

[0022] 用于支持本说明书的解释涉及包含尿素的储箱，但储箱当然可包含任何类型的可能会在所述储箱的常规使用期间观察到的温度条件下转变为固态的液体。包含水或与醇混
合的水的储箱可包括如上所述的压强均衡器以避免包含在安装在所述储箱中的技术模块
的元件受损。

[0023] 配备有根据本发明的压强均衡器的储箱也可单独或组合地包括以下特征：

[0024] ‑伸入器的主体的脱出斜角角度包括在2°到15°的范围内，以使得当浸入部回升时，在冰与浸入部的主体表面之间形成空间，该空间使得包含在泡中的液体逸出。

[0025] ‑浸入部的主体具有大致呈截锥形的形状。

[0026] ‑浸入部的主体基本上是不可压缩的。

[0027] ‑浸入部的主体由聚甲醛制成。

[0028] ‑浸入部的头部在空心柱体中沿着竖直方向在上部限位与下部限位之间往返运动，该空心柱体固定到储箱的上壁。

[0029] ‑所述空心柱体包括排气口。

[0030] ‑装置在浸入部的头部上施加自上而下的预定的恒力。

[0031] ‑在浸入部的头部上施加自上而下的预定的恒力的装置由布置在空心柱体中、夹置于浸入部的头部与储箱的上壁之间的弹簧形成。

[0032] ‑浸入部的头部和主体形成空心体，该空心体在上部部分由疏水性膜封闭。

[0033] ‑浸入部的头部和主体形成空心体，该空心体被闭孔泡沫填充。

[0034] ‑储箱包括竖直地安装在压强均衡器下方的浸没的技术模块。

附图说明

[0035] 阅读作为例子提供的绝无任何限制性的附图，将更好地理解本发明，在附图中：

[0036] ‑图1示出一个其中布置有根据本发明的压强均衡器的储箱的剖视图；

[0037] ‑图2是图1的均衡器的细节视图；

[0038] ‑图3示出这样的情况：在该情况中，均衡器上升，让包含在液体泡中的液体的一部分逃逸；

[0039] ‑图4示出压强均衡器的一个替代实施方式。

具体实施方式

[0040] 图1示意性地示出由上壁10、下壁11和侧壁12封闭的储箱1。充装管路13能够充装储箱。

[0041] 在形成储箱1底部的壁11上布置有技术模块2。该技术模块贯穿储箱底部以能够将包含在模块中的部件连接到供电源、控制和指令模块或液体输出管道(该管道通向排放气
体污染净化系统并处于储箱外的大气压下)。没有示出其它次级部件(例如排气口、加热装
置)。

[0042] 储箱装有正在冻结的液体，其包括固相体积和仍呈液态的体积，形成由虚线限定的完全限制(包含)在冰体积G中的液体泡。

[0043] 基准面N代表储箱被气体填充的上部部分与冰块体之间的分隔线。该基准面N大致对应于包含在储箱中的液体在其开始结冰之前的液位。储箱的气态部分V处于大气压，包含
在该部分中的气体由蒸气相液体与空气的混合物形成。

[0044] 压强均衡器3竖直地布置在技术模块2上方以保护后者免受在该区域中形成的液体泡L可能产生的不良影响。在此要指出的是，液体泡L可在储箱的过压效果不产生不良影
响的其它区域中延伸。

[0045] 压强均衡器包括浸入部30，其由位于主体301上的头部300形成。在图2中详细可见的浸入部的主体301在此具有沿竖直轴线的截锥形。

[0046] 该截锥形尤其良好地适于使得浸入部30的主体301的表面具有沿竖直轴线自上而下的脱出正斜角。换句话说，这意味着浸入部30的主体301能够向围绕它的冰的上方退出
(脱出)而不被形成反斜角的特定凸起阻碍。该要求指示浸入部主体应没有任何表面(换句
话说，没有任何切向于浸入部主体表面的平面)与竖直方向严格平行或形成负角度。而且，
浸入部的主体也可具有多变的形状，例如在顶点处截断的反金字塔形状。

[0047] 在本例子中，截锥形与竖直方向形成恒定的(脱出)正斜角角度a。该角度可等于零，但则要指出的是，由冰施加在浸入部主体表面上的径向应力和施加于浸入部的主体的
壁与冰之间的摩擦力可阻止浸入部回升。而且，优选选择至少等于2°的斜角角度。

[0048] 在此要指出的是，斜角角度越大，在冰与浸入部的主体之间产生的空间就越大，存在于泡中的液体就越容易逃逸。包括在2°到15°的范围内的角度能够满足所有使用条件。过
大的斜角角度会导致无用地增大均衡器的体积。而过小的斜角角度不能够空出允许液体逃
逸的空间。

[0049] 当然，为了使得在浸入部的主体301上产生的压力引起所述浸入部回升，需设置浸入部的主体301基本上是不可压缩的。在此，术语“基本上”指的是与施加在浸入部主体上的
压强有关的任何体积变化不具有改变使得浸入部回升的合力的性质。

[0050] 浸入部的主体可由适于能够浸没在包含在储箱中的溶液中的金属形成。

[0051] 然而，为了减小冰与浸入部之间的摩擦力以及浸入部30的表面的侵蚀，可有利地基于例如聚甲醛的材料制造浸入部30。借助于其结构和高结晶度，该材料提供非常好的物
理特征：低摩擦系数和非常好的抗磨损强度，高抗拉伸和抗冲击的强度，非常好的抗化学剂
性，良好的尺寸稳定性，好的抗蠕变性，和最后，使用温度范围广。

[0052] 图3可显示这样的运动：在该运动过程中，浸入部30回升，冰与浸入部表面之间释放出(空出)空间，由此允许包含在液体泡L中的液体逃逸。

[0053] 浸入部30的主体301的高度h设置为使得当在冻结过程中出现液体泡L时，主体301的下部部分303浸没在液体中，主体的中间部分303限制在位于液体泡上方的冰体积G中，且
浸入部主体的上部部分302留在储箱空气部分V中。

[0054] 该设置可通过应用热力学法则和储箱壁与液体之间的热交换的计算实现，或更简单地通过对包含在储箱中的液体冻结演变的实验观察实现。在实践中，这回到将浸入部30
的下部部分布置为尽可能接近液体泡的中心，该中心的定位是通过实验过程来获得的。

[0055] 浸入部30的主体301上布置有头部300。

[0056] 该头部300沿着大致竖直的方向在空心柱体31中滑动，该空心柱体的上部部分与储箱1的上壁10联结。在此，“大致竖直”指的是与竖直方向形成+/‑15°、优选地+/‑10°的角
度的方向。

[0057] 有利地，空心柱体由与其上焊接该空心柱体的储箱壁的材料兼容的热塑性材料形成。在实践中，该空心柱体可有利地由高密度聚乙烯(HDPE)制成。

[0058] 在空心柱体31的上部部分中布置有排气口310。

[0059] 浸入部的头部300的行程向下被与布置在浸入部30的头部上的肩部305相互作用的凸缘311阻止。同样地，浸入部的行程向上被储箱壁11限制，或被类似于上述下止挡件的
机械上止挡件或弹簧的相接螺圈限制。

[0060] 在头部300的顶点与壁11之间夹置有弹簧32。该弹簧在浸入部30的头部300上施加自上而下的恒定力。

[0061] 通过合适地调整弹簧的设置，能够由此控制液体泡L中的压强阈值，自该阈值起，浸入部30将进行回升。在该阈值之上，浸入部30回升并释放液体泡L中的压强，在该阈值之
下，浸入部30返回支承在肩部305上，或者在其中流入液体的空间本身刚结冰的情况下，支
承在冰本身上。

[0062] 在此要指出的是，弹簧可被任何类型的能够使得浸入部以受控的方式上升或下降的等同装置替代。作为例子，设有压载物的浸入部也可以是合适的，尽管它具有增大车载质
量的缺陷。

[0063] 浸入部30的主体301和头部300的壁限定内部体积，应注意包含在储箱中的液体不进入该内部体积。为了该目的，可有用地用不让液体通过的疏水性膜306覆盖浸入部的头部
的上部部分，或用具有封闭单元格的泡沫填充该体积。

[0064] 图4示出本发明的一个实施变型，其中，浸入部30的头部300包括形成倾斜支撑件的减压件307，弹簧32停靠在该支撑件上。该减压件能够在不期望的液体通过排气口310进
入的情况下便利液体向下流动。

[0065] 词汇表

[0066] 1   储箱

[0067] 10  储箱的上壁

[0068] 11  储箱的下壁

[0069] 12  储箱的侧壁

[0070] 13  充装管路

[0071] 2   技术模块

[0072] 3   压强均衡器

[0073] 30  浸入部

[0074] 300 浸入部的头部

[0075] 301 浸入部的主体

[0076] 302 浸入部的主体的处于空气中的上部部分

[0077] 303 浸入部的主体的贯穿冰的上层的中间部分

[0078] 304 浸入部的主体的浸没在液体泡中的下部部分

[0079] 305 肩部

[0080] 306 疏水性膜

[0081] 307 减压件

[0082] 31  空心柱体

[0083] 310 排气口

[0084] 311 凸缘

[0085] 32  弹簧

[0086] a   斜角角度

[0087] h   浸入部的主体的高度

[0088] G   转变成冰的液体

[0089] L   封闭在冰中的液体泡

[0090] V   位于冰上的空气部分

[0091] N   形成固相液体体积与空气部分N之间的界面的冰表面的基准面