JP2019173684A - 尿素水タンクユニット - Google Patents

Abstract

【課題】ヒータ発熱部の超音波の伝播経路への侵入を防止し、又は抑制することが可能な尿素水タンクユニットを提供する。【解決手段】尿素水を蓄えるタンク２と、タンク２内に配置され、可撓性を有する発熱部を通電により発熱させてタンク２内の尿素水を加温するヒータと、タンク２内に配置され、当該タンク２内の尿素水中における超音波の伝播速度に対応した信号を出力する超音波センサ７、８と、超音波センサ７、８が発信した超音波の伝播経路Ｐ１、Ｐ２をその周囲に対して覆うカバー１１と、を尿素水タンクユニットに設ける。【選択図】図２

Description

本発明は、タンク内にヒータと超音波センサとが配置された尿素水タンクユニットに関する。

車両の内燃機関、例えばディーゼルエンジンの排気ガスに添加されるべき尿素水を貯留するためのタンクユニットとして、可撓性の発熱部を有し、尿素水の凍結防止又は早期解凍のために発熱部を発熱させて尿素水を加温するヒータと、超音波センサが発した超音波の尿素水中における伝播速度に基づいて尿素水の濃度を検出する超音波センサとがタンク内に配置された尿素水タンクユニットが知られている（特許文献１参照）。

特開２０１７−２１４８５３号公報

上述したようにヒータの発熱部が可撓性を有している場合、その発熱部の組付け不良、あるいは車両の走行時の捲れるような変位、又は変形等により、発熱部が超音波の伝播経路に侵入して濃度検出に支障をきたす可能性がある。そのため、特許文献１の尿素水タンクユニットでは、超音波の伝播経路の側方に配置された温度センサの検出温度を監視し、所定期間内における温度上昇値が閾値を超えた場合にヒータの発熱部が超音波の伝播経路に近接し、あるいは侵入した異常状態であると判断して警告を発するといった制御が適用されている。しかしながら、そのような異常検出は、超音波の伝播経路への発熱部の侵入それ自体を防ぐものではない。

そこで、本発明はヒータ発熱部の超音波の伝播経路への侵入を防止し、又は抑制することが可能な尿素水タンクユニットを提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る尿素水タンクユニットは、尿素水を蓄えるタンクと、前記タンク内に配置され、可撓性を有する発熱部を通電により発熱させて前記タンク内の尿素水を加温するヒータと、前記タンク内に配置され、当該タンク内の尿素水中における超音波の伝播速度に対応した信号を出力する超音波センサと、前記超音波センサが発信した超音波の伝播経路を当該伝播経路の周囲に対して覆うカバーと、を備えたものである。

本発明の一形態に係る尿素水タンクユニットの内部構成を示す図。 図１のタンク内に配置されたセンサモジュールの構成の一例を示す図。 図２のセンサモジュールのプロテクタを示す図。 プロテクタの管状部にリブを設けた一例を示す図。 プロテクタの管状部に貫通部を設けた一例を示す図。 プロテクタの管状部の上端に傾斜部を設けた一例を示す図。

以下、添付図面を参照して本発明の一形態に係る尿素水タンクユニットを説明する。図１に示す尿素水タンクユニット１は、車両に設けられたディーゼルエンジン等の内燃機関の排気ガスに添加されるべき尿素水（尿素水溶液である。）の供給源として車両に搭載される。尿素水タンクユニット１は、尿素水を蓄えるタンク２と、タンク２内に配置されたポンプ３、ヒータ４、及びセンサモジュール５とを備えている。タンク２は、一例として樹脂を素材とする多層ブロー成形によって製造される。タンク２の容量、形状等はタンク２が搭載される車両の都合に応じて適宜に設定されてよい。タンク２には、ポンプ３、ヒータ４及びセンサモジュール５を着脱するための開口部、あるいは尿素水の注入のための開口部が適宜に設けられるが、それらの図示は省略した。

ポンプ３は一例として電動ポンプである。ポンプ３はタンク２内の尿素水を吸い込んでタンク２外の不図示の排気ガス浄化装置に送出する。ヒータ４は、可撓性を有する発熱部の一例としての複数のリボン部４ａを備えている。リボン部４ａは、例えばガラス繊維、ＰＴＦＥ繊維等の耐熱繊維を織り上げて帯状のベース層を形成し、そのベース層にニクロム線等の発熱電線を均一に配向して構成されている。ヒータ４は各リボン部４ａに通電してそれらを発熱させることによりタンク２内の尿素水を加温する。リボン部４ａは、一例としてポンプ３を中心として放射状に延びるように配置されている。例えば、４本のリボン部４ａがポンプ３を中心に概略Ｘ字を描くようにしてタンク２の底部に沿って配置されている。各リボン部４ａの一端側はポンプ３の外周部に固定され、他端側、つまりポンプ３から最も離れた側の端部（以下、これを先端部と呼ぶことがある。）はタンク２等に固定されることなく任意に動き得る自由端とされている。ポンプ３を中心としてリボン部４ａを放射状に配置する理由の一つは、ポンプ３の周囲における尿素水の凍結防止効果、あるいは早期解凍効果を高めることにある。ただし、リボン部４ａの本数及び配置はタンク２の形状、大きさ等に応じて適宜に定められてよい。

センサモジュール５は、タンク２内の尿素水の濃度及び残量を検出するために設けられている。図２に詳しく示したように、センサモジュール５は、ベース６と、ベース６に取り付けられた濃度検出用の第１の超音波センサ７と、残量検出用の第２の超音波センサ８とを備えている。なお、「第１」及び「第２」の用語は、超音波センサ７、８を区別するためにのみ用いられる用語であって、それらの間の主従、順位その他の概念を含むものではない。

各超音波センサ７、８は所定の検出対象に向けて超音波を発信し、検出対象にて反射して戻る超音波を受信し、発信から受信に要した時間長、言い換えれば発信と受信との時間差に応じた信号を出力する反射型の超音波センサである。超音波の発信、及び受信には例えばピエゾ素子が利用される。各超音波センサ７、８は上方に向けて超音波を発信するように設けられている。第１の超音波センサ７から発せられた超音波は中間反射板９にて水平方向、つまりタンク２の内底面２ａに沿った方向に偏向されて目標反射板１０に入射し、目標反射板１０にて水平方向に反射した超音波が中間反射板９にて下向きに偏向されて第１の超音波センサ７に入射する。目標反射板１０は第１の超音波センサ７の検出対象に相当し、第１の超音波センサ７からは、第１の超音波センサ７と目標反射板１０との間を超音波が往復するに要した時間長に対応する信号が出力される。第１の超音波センサ７と目標反射板１０との間の距離は一定であり、超音波が第１の超音波センサ７と目標反射板１０との間を往復するに要した時間長は、尿素水中における超音波の伝播速度に対応する。尿素水中における超音波の伝播速度は尿素水の濃度に応じて変化するため、第１の超音波センサ７の出力信号に基づき尿素水の濃度を検出することが可能である。なお、尿素水中の超音波の伝播速度は尿素水の温度の影響を受けるため、濃度の検出には温度情報を参照する必要がある。温度の検出には適宜の手段が用いられてよいが、一例として、センサモジュール５に温度センサが設けられてもよい。

一方、第２の超音波センサ８から発せられた超音波はタンク２内の尿素水の液面ＦＳにて反射して第２の超音波センサ８に入射する。この場合、液面ＦＳは第２の超音波センサ８の検出対象に相当し、第２の超音波センサ８からは、第２の超音波センサ８と液面ＦＳとの間を超音波が往復するに要した時間長に対応する信号が出力される。第２の超音波センサ８と液面ＦＳとの間の距離はタンク２内の尿素水の残量に応じて変化し、超音波が第２の超音波センサ８と液面ＦＳとの間を往復するに要した時間長は、液面ＦＳの高さと尿素水中における超音波の伝播速度に対応する。この点で第２の超音波センサ８もまた超音波の伝播速度に対応した信号を出力するものである。尿素水中における超音波の伝播速度は第１の超音波センサ７の出力信号に基づいて判別可能であり、その伝播速度と、第２の超音波センサ８が検出した時間長とに基づいて第２の超音波センサ８と液面ＦＳとの間の距離、すなわち液面ＦＳの高さを判別することが可能である。

各超音波センサ７、８における超音波の伝播経路は図２に破線Ｐ１、Ｐ２で示した通りである。それらの伝播経路Ｐ１、Ｐ２が可能な限り尿素水中に位置するようにセンサモジュール５はタンク２の内底面２ａに取り付けられている。また、伝播経路Ｐ１、Ｐ２上で尿素水が凍結している場合には、超音波センサ７、８を用いた濃度及び残量の検出が不可能となり、あるいは誤検出が生じるおそれがある。そのため、伝播経路Ｐ１、Ｐ２の周囲における尿素水の凍結を防止し、あるいは早期解凍を図る必要がある。したがって、センサモジュール５は、ヒータ４のリボン部４ａになるべく近接して配置される。一方、ヒータ４のリボン部４ａは可撓性を有し、かつそれらの先端部は自由端とされている。したがって、リボン部４ａが不適切な位置に取り付けられ、あるいはリボン部４ａが走行中の振動で捲れるといった変位又は変形が生じた場合、リボン部４ａが伝播経路Ｐ１、Ｐ２に侵入し、その干渉により超音波センサ７、８を用いた濃度及び残量の検出が不可能となり、あるいは誤検出が生じるおそれがある。なお、図１ではリボン部４ａの先端部からセンサモジュール５が離れて描かれているが、実際には複数のリボン部４ａ間に挟まれた領域にセンサモジュール５が配置されるといったレイアウトが採用されることにより、リボン部４ａの先端部等がセンサモジュール５に接する場合があり得る。

上記のような課題を解決するため、センサモジュール５には、超音波の伝播経路Ｐ１、Ｐ２をその周囲に対して覆うカバーの一例としてプロテクタ１１が設けられている。図２及び図３に示したように、プロテクタ１１は、本体部１２と管状部１３とを組み合わせた形状を有している。本体部１２は、超音波センサ７、８及び反射板９、１０の全体を覆うドーム状、あるいは蓋状であって、ベース６の上面に取り付けられる。本体部１２は、その上方から見て概ね円形であるが、その平面視形状は、長円形、楕円形、矩形、多角形状等の適宜の形状に設定されてよい。本体部１２には、プロテクタ１１内に尿素水を導入し、かつ第２の超音波センサ８から発せられた超音波を液面ＦＳに向けて通過させるための貫通孔１２ａが形成されている。

管状部１３は、第２の超音波センサ８から発せられた超音波の伝播経路Ｐ２に沿って貫通孔１２ａと同軸的に延びる筒状に形成されている。管状部１３の上端は、プロテクタ１１内に尿素水を導入し、かつ液面ＦＳに向けて超音波を通過させるために、全面に亘って開口している。管状部１３の軸線方向（図の上下方向）の長さは、リボン部４ａが伝播経路Ｐ２に侵入するおそれを実用上十分な程度に防ぎ得る程度に設定される。例えば、リボン部４ａの一端側はポンプ３の周囲に固定されているため、その取付位置を起点としてリボン部４ａの可動範囲を想定し、その可動範囲との比較においてリボン部４ａが伝播経路Ｐ２と干渉するおそれを実用上十分な程度に排除できるように管状部１３の長さを設定すればよい。リボン部４ａの可動範囲を超えて管状部１３が上方に延ばされてもよい。管状部１３は一例として断面円形に形成されているが、その断面形状は長円形、楕円形、矩形、多角形状等の適宜の形状に設定されてよい。

以上の尿素水タンクユニット１によれば、プロテクタ１１が設けられているために、第１の超音波センサ７が発する超音波の伝播経路Ｐ１の全体をその周囲から覆うとともに、第２の超音波センサ８からの超音波の伝播経路Ｐ２を、少なくともリボン部４ａの侵入を防止し、又は実用上十分な程度に抑制できるように覆うことができる。したがって、リボン部４ａの干渉によって超音波センサ７、８による濃度、残量の検出が不可能となり、あるいは誤検出が生じるといった支障が生じるおそれを排除し、又は抑制することが可能である。尿素水の融解過程で生じる氷塊が伝播経路Ｐ１、Ｐ２に侵入するおそれも低減することが可能である。

第２の超音波センサ８に関しては、管状部１３が設けられていることにより、第２の超音波センサ８から発せられる超音波の広がりを管状部１３によって制限することが可能である。それにより、管状部１３が存在しない場合との比較において第２の超音波センサ８から発せられる超音波の指向性を高めることができる。超音波の指向性が高まることにより、第２の超音波センサ８が液面ＦＳで反射した超音波を受信したときの検出波形のピークが鋭くなり、波形の分解能が高まって液面ＦＳの高さ、つまり尿素水の残量の検出精度が向上する。

本発明は上記の形態に限定されず、種々の変形又は変更を適用して実施されてよい。プロテクタ１１の管状部１３に関する幾つかの変形例を図４〜図６に示す。なお、図４〜図６において、図１〜図３に示す形態との共通部分には同一の参照符号を付し、以下では相違点を中心に説明する。

図４は、図３に示した管状部１３の外周に、管状部１３の外周に突出する突出部の一例として、複数のリブ１４が設けられた例を示している。リブ１４は管状部１３の軸線方向と平行に、かつ管状部１３の軸線方向全長に亘って延ばされている。リブ１４を設けた場合には、ヒータ４のリボン部４ａが管状部１３に直接的に接するように変位又は変形するおそれを排除し、又は低減することができる。リボン部４ａが管状部１３に密着した場合、管状部１３の内部の尿素水が部分的に加温されて伝播経路Ｐ２上に温度勾配が生じ、それに伴って超音波の伝播速度にばらつきが生じて尿素水の残量の検出精度を悪化させるおそれがある。これに対して、リブ１４を設けた場合には、リブ１４にリボン部４ａが接しても管状部１３とリボン部４ａとの間に隙間が生じるため、管状部１３の局所的な温度上昇を抑えて温度勾配の発生を防止、又は抑制し、それにより検出精度の悪化を防ぐことが可能である。また、リブ１４は管状部１３を補強する効果も奏する。したがって、例えば管状部１３に尿素水の氷塊等が衝突した場合の破損、変形といった不具合の発生を防止し、又は抑制することもできる。

なお、図４の例において、突出部としてのリブ１４は、管状部１３に沿って螺旋状に延ばされるといったように、管状部１３の軸線方向に対して非平行な方向に延ばされてもよい。管状部１３の全長よりも短い突出部が管状部１３の周囲に適宜に配置されてもよい。その他にも、突出部は管状部１３に対するリボン部４ａの密着を抑えることができる限り、適宜の形状で適宜の位置に設けられてよい。

図５は、図３に示した管状部１３の外周に、管状部１３の内外を貫く貫通部の一例として、一対のスリット１５が設けられた例を示している。スリット１５は管状部１３を周方向に概ね二等分するように設けられ、かつ管状部１３の軸線方向全長に亘って延ばされている。このようなスリット１５を設けた場合には、管状部１３の内外における熱、あるいは尿素水の交換が促進される。その結果、管状部１３内における尿素水の凍結防止効果を高め、あるいは尿素水が凍結した場合にはその解凍効率を高めることができる。なお、貫通部はスリットに限らず、管状部１３の外周を内外に貫く限りにおいて適宜の形状、適宜の位置に設けられてよい。例えば、管状部１３の外周上に適宜の形状の貫通孔を貫通部として設けてもよい。

図６は、図３に示した管状部１３の上端に、管状部１３の軸線方向に対して斜めに傾く傾斜部１６を設けた例を示している。この例によれば、仮にリボン部４ａが管状部１３の上端に被さるように変位又は変形しても、傾斜部１６に沿ってリボン部４ａが滑り落ちるようになる。そのため、管状部１３の上端にリボン部４ａが乗ったままとなり、超音波の伝播経路Ｐ２が常態的に塞がれるといった不都合が生じるおそれを排除し、又は低減することができる。なお、傾斜部１６の傾斜方向は管状部１３の周囲のリボン部４ａの配置と関連付けて設定することができる。例えば、リボン部４ａに向けて下り勾配を描くように傾斜部１６を設け、それによりリボン部４ａを本来の位置に向けて滑り落ちるように促すことが可能である。管状部１３の上端に、傾斜方向が異なる複数の傾斜部を組み合わせて設けてもよい。なお、図４〜図６に示したリブ１４、スリット１５及び傾斜部１６は排他的なものではなく、適宜に組み合わせて管状部１３に設けられてもよい。

上述した形態及びその変形例では、センサモジュール５に濃度測定用と残量測定用の二つの超音波センサ７、８が設けられているが、本発明はいずれか一方の用途の超音波センサのみが設けられている場合でも適用可能である。例えば、濃度測定用の超音波センサ７のみが設けられている場合にはプロテクタ１１の本体部１２によって超音波の伝播経路Ｐ１を周囲から覆い、あるいは残量測定用の超音波センサ８のみが設けられている場合には、管状部１３を超音波センサ８の位置まで延長して超音波の伝播経路Ｐ２を周囲から覆う、といった応用が可能である。

上記の形態及び変形例では、反射型の超音波センサを用いる例を示したが、超音波センサは発信部と受信部とが離された透過型の超音波センサであってもよい。例えば、濃度検出のため、ベース６上に超音波センサの発信部と受信部とが水平方向に対向するように配置されてもよい。

上述した実施の形態及び変形例のそれぞれから導き出される本発明の各種の態様を以下に記載する。なお、以下の説明では、本発明の各態様の理解を容易にするために添付図面に図示された対応する構成要素を括弧書きにて付記するが、それにより本発明が図示の形態に限定されるものではない。

本発明の一態様に係る尿素水タンクユニット（１）は、尿素水を蓄えるタンク（２）と、前記タンク内に配置され、可撓性を有する発熱部（４ａ）を通電により発熱させて前記タンク内の尿素水を加温するヒータ（４）と、前記タンク内に配置され、当該タンク内の尿素水中における超音波の伝播速度に対応した信号を出力する超音波センサ（７、８）と、前記超音波センサが発信した超音波の伝播経路（Ｐ１、Ｐ２）を当該伝播経路の周囲に対して覆うカバー（１１）と、を備えたものである。

上記態様によれば、超音波の伝播経路がその周囲に対してカバーで覆われることにより、ヒータの発熱部が伝播経路に接近するように変位又は変形等した場合でも、伝播経路への発熱部の侵入をカバーにて防止し、又は抑制することができる。したがって、発熱部の侵入に起因して検出が不可能となり、あるいは誤検出が生じるといった支障が生じるおそれを排除し、又は低減して、タンク内の尿素水の濃度、残量といった状態を精度よく検出することができる。

上記態様においては、前記超音波センサとして、前記タンクの内底面（２ａ）に沿った方向に伝播する超音波の伝播速度に対応した信号を出力する濃度検出用の超音波センサ（７）が設けられ、前記カバーは前記濃度検出用の超音波センサが発信した超音波の伝播経路（Ｐ１）の全体を覆うように設けられてもよい。これによれば、濃度検出のために発信される超音波の伝播経路への発熱部の侵入を確実に防止することができる。

上記態様においては、前記超音波センサとして、前記タンクの底側から前記尿素水の液面（ＦＳ）に向けて超音波を発信する残量検出用の超音波センサ（８）が設けられ、前記カバーは、前記残量検出用の超音波センサが発信した超音波の伝播経路（Ｐ２）に沿って延ばされた管状部（１３）を備えていてもよい。これによれば、残量検出のために発信される超音波の伝播経路への発熱部の侵入を防止し、又は抑制することができる。

前記管状部の外周には、当該管状部の外方に突出する突出部（１４）が設けられてもよい。この場合には、発熱部が変位又は変形して突出部に触れても、その発熱部と管状部との間に隙間を確保して管状部内の尿素水が局所的に加温されるおそれを排除し、又は低減することができる。突出部の形状、位置を適宜に調整することにより管状部の強度を補強し、尿素水の氷塊の衝突による管状部の破損や変形といった不具合の発生を防止し、又は抑制することも可能である。

前記管状部の外周には、当該管状部の内外を貫く貫通部（１５）が設けられてもよい。これによれば、管状部の内外における熱、及び尿素水の交換を促し、管状部内における尿素水の凍結防止、あるいは凍結時の早期解凍を図ることができる。

前記管状部の上端には前記管状部の軸線方向に対して斜めに傾く傾斜部（１６）が設けられてもよい。これによれば、発熱部が管状部の上端に被さるように変位又は変形しても、傾斜部に沿って発熱部が容易に滑り落ちるようになる。したがって、超音波の伝播経路が発熱部にて常態的に塞がれるといった不都合が生じるおそれを排除し、又は低減することができる。

１ 尿素水タンクユニット
２ タンク
２ａ タンクの内底面
４ ヒータ
４ａ リボン部（発熱部）
５ センサモジュール
７、８ 超音波センサ
１１ プロテクタ（カバー）
１２ 本体部
１３ 管状部
１４ リブ
１５ スリット
１６ 傾斜部

Claims (1)

1. 尿素水を蓄えるタンクと、
   前記タンク内に配置され、可撓性を有する発熱部を通電により発熱させて前記タンク内の尿素水を加温するヒータと、
   前記タンク内に配置され、当該タンク内の尿素水中における超音波の伝播速度に対応した信号を出力する超音波センサと、
   前記超音波センサが発信した超音波の伝播経路を当該伝播経路の周囲に対して覆うカバーと、
   を備えた尿素水タンクユニット。

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