CN104364483B - 可电加热的蜂窝体的多个金属片层的电连接和相应的蜂窝体 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种蜂窝体(14)的多个金属片层(1、2、3、4)在连接销(12)上的电连接，其中蜂窝体(18)具有带有内圆周(I)的金属外壳(7)，连接销(12)在套管(10)中电绝缘地被引导经过所述金属外壳，以及其中金属片层(1、2、3、4)是交替布置的粗结构化的金属片(2)和细结构化的或光滑的金属片(1)，这些金属片共同形成具有最上部金属片层(3)和最下部金属片层(4)的堆叠(5)，所述堆叠具有在金属片层(1、2、3、4)之间对气体来说沿轴向方向(A)可流经的通道(15)。本发明的特征在于，连接销(12)大致垂直于金属片层(1、2、3、4)且因此沿径向方向(R)延伸，并通过至少一个中间件(13)与至少两个、优选所有金属片层(1、2、3、4)金属连接，其中堆叠(5)中的最上部金属片层(3)优选在内圆周(I)的至少35％上大致与金属外壳(7)平行地延伸且仅通过气隙(8)与该金属外壳隔开。本发明实现了简单地制造运行可靠且可极均匀地电加热的蜂窝体(14)。

Description

可电加热的蜂窝体的多个金属片层的电连接和相应的蜂窝体
技术领域
本发明涉及可电加热的蜂窝体的领域，该蜂窝体尤其用于内燃机的废气处理系统，优选用在机动车中。例如需要可电加热的蜂窝体，以用于加热废气处理系统中的组件，并由此实现或维持用于确定的化学反应的，尤其也用于催化活化反应的确定的最低温度。这例如用在废气催化器、颗粒过滤器和/或用于还原氮氧化物的设备中。
背景技术
例如在WO96/10127中描述了这种可电加热的蜂窝体的典型的结构形式。EP1 967712也说明了一种可电加热的蜂窝体的结构。在两个文献中，表明了一种可能性，即把这种可电加热的蜂窝体(电绝缘地)支承在相邻布置的蜂窝体上。
为了能够为电加热提供足够大的欧姆电阻，这种可电加热的蜂窝体包括至少一个多个金属片层的堆叠，所述金属片层如此结构化，即其为气体形成沿轴向方向可流经的通道。典型地，粗结构化的金属片以及细结构化的金属片和/或光滑的金属片交替地上下叠置。通过按照S形、U形等类型反向缠绕所述堆叠来如此形成该堆叠，即所述堆叠占据圆形的或椭圆形的横截面，其中堆叠的相邻的绕组必须彼此电绝缘。这可以通过绝缘层和/或通过电绝缘的气隙实现，其中在运行中当金属片/堆叠的强烈的热延伸时，能够如此稳定气隙，即堆叠的绕组借助于支承销固定在相邻的蜂窝体上且由此固定在其位置中。通过这种方式也可以沿轴向方向稳定相对较短的可电加热的蜂窝体，例如具有仅1至5cm的轴向延伸的蜂窝体。
已表明，对可电加热的蜂窝体的稳定性和/或电特性有利的是，该蜂窝体由交替的粗结构化的金属片层和细结构化的金属片层构造，尤其由具有第一细波纹部(具有小的第一波纹高度和小的第一波纹长度)的金属片层和由具有第二粗结构(具有带有大的第二波纹高度和/或大的第二波纹长度的第二波纹部)的金属片层组成。金属片层优选在堆叠内部在若干(选出的)或所有接触点处彼此焊接或通过扩散连接件彼此固定。
然而，堆叠与外部电源的电连接存在问题。因为缠绕的能导电的堆叠必须布置在金属套管的内部，所以需要至少一个与套管电绝缘的、至堆叠的输入件，其中典型地应该引导如此高的电流强度通过所述堆叠，即值得期待的是，在接触的区域内堆叠的各个金属片层上的尽可能均匀的电流分布或者甚至需要用于避免损坏。
因此，在现有技术中已知的实施方案中，典型地存在电流分布结构，堆叠的各个金属片层终止在该电流分布结构处，其中电流分布结构又通过电绝缘地被引导穿过蜂窝体的金属外壳的连接销被接触。在所述结构方式中典型的电流分布结构是一种半硬壳，所述半硬壳平行于金属外壳延伸且终止在各个金属片层处且金属连接，尤其是焊接。该电流分布结构必须又通过绝缘层与蜂窝体的金属外壳电绝缘。这可以通过气隙实现，然而也需要为此同样把电流分布结构稳定在其位置中，这优选通过额外的支承销实现，其中在此也必须始终注意所述结构的电绝缘，在所述结构处进行支承。
在可电加热的蜂窝体中，电接触的问题至少出现在堆叠的一侧，即当堆叠的另一侧直接可以/应该连接在金属外壳上时。一旦堆叠的两个端部不应该与(电的)接地线连接时，也必须相应地接触堆叠的两个端部。
发明内容
本发明的任务在于，至少部分地解决关于现有技术描述的问题。尤其应该实现蜂窝体的多个金属片层在连接销上的电连接，该连接可简单且价廉地制造，尽可能避免了与金属外壳平行的电流分布结构且仍实现了电流的均匀分布和可电加热的蜂窝体的稳定结构。
根据权利要求1的特征所述的电连接用于完成该任务。在从属权利要求中描述了有利的设计方案，其中这些设计方案能够以技术上有意义的方式彼此组合。说明书，尤其结合附图说明或阐明了在权利要求中提及的特征并给出其它有利的实施变型方案。此外，还实现了具有根据本发明的电连接的蜂窝体。
因此建议了一种蜂窝体的多个金属片层在连接销处的电连接，其中蜂窝体具有带有内圆周的金属外壳，连接销在套管中电绝缘地被引导经过所述金属外壳。此外，金属片层是交替布置的粗结构化的金属片层和细结构化的或光滑的金属片层，这些金属片层共同形成了具有最上部金属片层和最下部金属片层的堆叠，所述堆叠具有在金属片层之间对气体来说从入口侧至出口侧沿轴向方向可流经的通道。此外，连接销(大致)垂直于金属片层并因此沿径向方向延伸，并且通过至少一个导电的中间件与至少两个金属片层、优选至少一半金属片层、尤其是所有金属片层金属连接(利用金属进行连接)，该中间件包围该堆叠的多个金属片层。
虽然看起来难以连接相对较厚的连接销和多个相对较薄的金属片层(此外该金属片层还能结构化)，但是已证明，不仅通过(至少部分地)包围该金属片层的中间件实现了两个或更多上下叠置的和/或挤压的金属片层的连接，而且甚至导致了堆叠的极稳定的保持。这又允许了，堆叠和金属外壳之间的气隙的稳定形成，同时不需要额外的稳定结构，像半硬壳或电流分布结构。
中间件既与连接销也与被接触的金属片层(直接)电接触。中间件尤其是单件式金属片。此外优选的是，中间件根据一种夹子构造，该夹子在外侧上与连接销电接触且在内侧上与金属片层电接触。当中间件在两侧上，尤其是在三侧(堆叠的周向接合侧、外侧、内侧、前端、后端)上贴靠该堆叠时，尤其存在“包围”。
在优选的实施方案中，在堆叠中最上部金属片层甚至在内圆周的长度的至少35％上，优选至少40％上(大致)平行于金属外壳延伸，且仅通过气隙与该金属外壳隔开。如果从蜂窝体的端侧沿轴向方向观察该蜂窝体且把蜂窝体沿周向分为360°(角度)，则根据连接区域的准确的造型以及堆叠至蜂窝体内部中的走向(轮廓)，最上部(位于径向外部最远的)金属片层优选在最大180°的角度范围上平行于金属外壳延伸，然而至少(大致)在144°的角度范围上延伸。
在另一个优选的实施方案中，堆叠的最上部金属片层，优选还有最下部金属片层是细结构化的金属片层或光滑的金属片层。这是尤其有利的，因为优选堆叠的最上部金属片层和最下部金属片层与中间件金属连接，由此近似包围了其余金属片层，且即使它们本身未能与中间件连接，它们的端部也不具有活动自由度且因此不会造成电短路。
由此可以促进最上部和/或最下部金属片层的功能，即至少在部分区域中一个或两个具有厚度增强部和/或比堆叠的其它或其余金属片层的更厚。更厚的部分区域尤其可以具有80-200μm(微米)的，尤其优选110-170μm的金属片厚度，而其它金属片层或其余金属片层例如具有20-60μm的厚度。更大的厚度可以通过在期望的部分区域中使用较厚的金属片实现，和/或通过使在涉及的区域中最上部和/或最下部金属片层由多个，例如两个或三个彼此贴靠的且必要时一起结构化的金属片层组成来实现。
同时最下部金属片层至少在连接区域中以及沿着堆叠的一部分可以具有厚度增强部和/或比其余金属片层更厚。使两个外部的金属片层更厚便于与中间件的金属连接，尤其当使用电阻焊接工艺时或钎焊时。
至少最上部金属片层优选由含镍、铬和铁的钢制成，该材料也称为NiCroFer。该材料的机械和电特性，尤其是良好的导电性和耐高温腐蚀性使其尤其适合对最上部金属片层的要求。
对堆叠中均匀的电流分布来说尤其优选的是，所有金属片层与中间件连接，其中金属片层为此被压紧以使现有结构光滑，和/或以不变的形式被中间件包围。
实际上实验表明，当分别使粗结构化的金属片层和细结构化的金属片层形成波纹时，得到特别稳定的结构形式，其中粗结构化的金属片层的第二波纹高度大于细结构化的金属片层的第一波纹高度，更确切地说，大了倍数3至10，优选4至6。已证明，在不同的观点看来，这种结构化都是有利的。通过所有金属片层的一定的弹性便于支承销的连接，这几乎不影响与中间件的导电连接。
在对堆叠的所有金属片层使用波纹化/结构化的金属片层时，还有利的是，粗结构化的金属片层具有第二波纹长度，该第二波纹长度大于细结构化的金属片层的第一波纹长度，更确切地说，例如至少大了倍数1.5。在选择粗结构化的金属片层和细结构化的金属片层的波纹高度和波纹长度时，要遵守技术合理的界限。尤其如此选择比例和波形，即尽可能不产生具有极小横截面的通道，所述通道在涂层时可能会阻塞。
中间件优选在至少10mm2的面积上与堆叠的例如2至5个金属片层金属连接，其中中间件与金属外壳的内圆周例如间隔3至8mm，优选4至6mm。通过这种方式，电连接可以把需要的电流均匀地引导入堆叠中并同时以距金属外壳足够的距离稳定该堆叠，从而通过气隙确保堆叠和金属外壳之间的电绝缘。
对这种蜂窝体来说，优选的形式是按S形类型反向缠绕该堆叠，其中堆叠的绕组通过气隙彼此电绝缘。该实施方案本身是已知的，然而由于金属片层在温度变化剧烈时出现的机械运动，目前为止不能构造为不具有半硬壳类型的电流分布结构，这只有利用此处建议的中间件才能实现。
在此，堆叠的最上部金属片层恰好具有特殊功能。在S形的结构方式中，该最上部金属片层在几乎内圆周的一半上形成了相对于金属外壳至绝缘的气隙的边界，该最上部金属片层用于与中间件的电连接，且限制了内部金属片层。当最上部金属片层具有厚度增强部或比其它金属片层更厚时，已经证明有利的是，这仅在堆叠长度的一部分上进行，优选大约直至蜂窝体的中点。已表明，在堆叠的该部分区域中，最上部金属片层同时可以用于在堆叠中分布电流。电流始终寻找最短的路径和最小电阻的路径，因此，电流趋向于流向堆叠的内部区域，这通过较厚的最上部金属片层得到补偿。然而，在蜂窝体的中间区域中，由于堆叠的反向缠绕，最上部金属片层变为最下部金属片层，因此有利的是，其可以最终在那里终止或者从那里开始继续一较薄的层。这例如可以在缠绕更换其方向的点进行。
为了稳定连接区域，尤其优选的是，堆叠通过多个支承销稳定其形状，其中至少一个支承销布置成沿着堆叠的走向测量距连接销的距离小于10cm，优选小于5cm，尤其优选小于2cm。这尤其用于相对于金属外壳稳定气隙。可以设置具有类似距离的至少另一个连接销，以便使从中间件伸出的堆叠的端部保持稳定。
在本发明的更尤其优选的实施方案中，中间件至少延伸直至堆叠的入口侧和/或出口侧，且至少部分地包围所述入口侧和出口侧中的至少一个。尽管由此阻断或遮盖了至少若干通道，然而其数量相对于蜂窝体的通道的总数量可以忽略。却由此改进了金属片层的接触且不一定必须在中间件的区域中使堆叠的横截面变形。中间件近似形成一围绕堆叠的至少一部分的夹子且部分地(平行地)在入口侧之前和/或(平行地)在出口侧之后延伸，在那里有足够的位置供使用。
可选地或附加地，中间件可以在端部(周向接合侧)包围堆叠。中间件的形状优选与堆叠的端部的横截面的形状和/或纵截面的形状匹配。
在此，中间件优选与堆叠的多个或所有金属片层直接接触，这通过使金属片层在入口侧和/或出口侧贴靠该中间件、尤其是焊接在该中间件上来实现。
在优选的实施方案中，堆叠的横截面在中间件的区域中具有和堆叠的其余走向中(基本上)相同的形状和大小，尤其是矩形形状。
在此，堆叠的端部可以在中间件外部渐缩，且尤其以弯曲的楔形的形状延伸终止，从而得到与蜂窝体的其它形状的良好匹配。堆叠的伸出中间件的端部在该运行中导致连接区域的额外的冷却。
本发明还涉及一种具有如此处所述的电连接的可电加热的蜂窝体。电连接的根据本发明的实施方案实现了简化的结构形式和价廉的制造，这尤其对于汽车工业中的批量制造很重要。
本发明尤其用在具有内燃机和内置在废气系统中的可电加热的蜂窝体的机动车中。
附图说明
在(示意性的)附图中示出本发明的技术领域，更详细的细节和实施例，然而本发明不局限于此。附图示出：
图1是可电加热的蜂窝体的电连接的区域的示意性剖视图；
图2是侧向包围金属片堆叠的中间件的实施例；
图3是从端侧看去的，具有中间件的电连接的另一个实施例；
图4是具有中间件的连接销的特殊实施方案；以及
图5示意性示出结构化的金属片层。
具体实施方式
图1示意性示出可电加热的蜂窝体18的部分区域，该蜂窝体布置在金属外壳7中。蜂窝体18包括堆叠5，所述堆叠由光滑的或细结构化的金属片层1和交替布置的波纹化或粗结构化的金属片层2组成，其中堆叠5具有最上部金属片层3和最下部金属片层4，在该实施例中，这二者都被细结构化。金属片层1、2、3、4至少部分地终止在中间件13中，且与该中间件导电连接，所述中间件又部分地与连接销12导电地连接。作为连接技术，例如考虑电阻焊接和/或硬焊。连接销12被引导通过套管10穿过金属外壳7且由电绝缘层11与该金属外壳绝缘。绝缘销12沿径向方向R延伸，像通过箭头示出的那样。粗和细结构化的金属片层共同形成了通道9，该通道沿同样以箭头示出的轴向方向A延伸。金属外壳7具有内圆周I，该内圆周同样由箭头示出。至少最上部金属片层3和最下部金属片层4以及优选还有其它金属片层1、2与中间件13导电连接且还通过该中间件与支承销12连接。堆叠5通过支承销17稳定，该支承销必要时能够支承在此处未示出的相邻的另外的蜂窝体上。还示出了中间件13包围堆叠5的端部16的方式，其中中间件的内部形状与堆叠的端部16的纵截面20匹配，或反之亦然，例如具有弯曲的楔形的形状。
图2示意性示出，金属片层1、2、3、4的堆叠5如何被中间件13沿侧向包围。中间件13在此具有夹子的形状，在这种情况下是具有大致矩形横截面的夹子，且直接接触最上部金属片层3和最下部金属片层4以及在端侧在入口侧14处还接触其余金属片层1、2的端部。通过这种方式可以在堆叠5不变形的情况下均匀地导入电流。
图3示意性示出，堆叠5的连接区域6如何以另外的实施方案由细结构化的金属片层1和粗结构化的金属片层2形成。借助于电绝缘层11与通过未示出的金属外壳的套管10绝缘的连接销12以其连接端部15终止在中间件9处，且与该中间件和必要时与所述中间件下的金属片层1、2的端部导电连接，优选熔焊或钎焊焊接。在该实施例中，中间件9包括连接区域6中堆叠5的端部，其中和上述在不同实施方案中描述的相同，实现了连接区域6的准确的设计。所有金属片层可以优选越来越紧地被压紧或者构造为具有越来越小的波纹高度，以便得到期望的渐缩的形状。支承销17也可以稳定整个布置。
在图4中以透视图示意性示出支承销12连同中间件13的根据本发明的设计，其中未示出的堆叠5的、可被中间件包围的横截面19通过阴影线表示。像在图1中示出的那样，中间件可以类似地包围堆叠5的端部16，其中中间件的内部形状与堆叠的端部16的纵截面20匹配，例如具有弯曲的楔形的形状。
图5示出金属片层1、2、3、4的结构和波纹部的尺寸比例关系。在堆叠中细结构化的金属片层1具有第一波纹部，该第一波纹部带有第一波纹高度H1和第一波纹长度L1，第一波纹高度和第一波纹长度(在此)分别小于粗结构化的金属片2的第二波纹部的第二波纹高度H2和第二波纹长度L2。此外，最上部金属片层3可以具有比堆叠5的其余金属片层1、2更大的厚度T。
仍要预先注意，在附图中示出的技术特征的组合不是普遍强制的。因此，一个附图的技术特征可以和另一个附图的其它技术特征和/或普遍说明的其它技术特征组合。例如唯一的特例在于，已经明确指出和/或本领域技术人员认识到，特征组合不能满足所述装置的基本功能。
本发明实现了可电加热的蜂窝体的简单且可经济地制造的结构，该可电加热的蜂窝体实现了即使在没有电流分布结构或支承的半硬壳的情况下在外部区域中极均匀的电流分布以及进而加热。
附图标记列表
1 光滑/细结构化的金属片层
2 波纹化/粗结构化的金属片层
3 最上部金属片层
4 最下部金属片层
5 堆叠
6 连接区域
7 金属外壳
8 气隙
9 通道
10 套管
11 电绝缘层
12 连接销
13 导电连接
14 入口侧
15 出口侧
16 堆叠的端部
17 支承销
18 蜂窝体
19 堆叠的横截面
20 堆叠的端部的纵截面
A 轴向方向
R 径向方向
I 外壳的内圆周的方向
H1 第一波纹高度
H2 第二波纹高度
L1 第一波纹长度
L2 第二波纹长度
T 厚度。

Claims (15)

1.一种蜂窝体(18)的多个金属片层(1、2、3、4)在连接销(12)上的电连接，其中，该蜂窝体(18)具有金属外壳(7)，该金属外壳带有内圆周(I)，连接销(12)在套管(10)中电绝缘地被引导经过所述金属外壳，其中，金属片层(1、2、3、4)是交替布置的粗结构化的金属片层(2)以及细结构化的或光滑的金属片层(1)，这些金属片层共同形成了具有最上部金属片层(3)和最下部金属片层(4)的堆叠(5)，所述堆叠具有在这些金属片层(1、2、3、4)之间的、能使气体沿轴向方向(A)从入口侧(14)流至出口侧(15)的通道(9)，其特征在于，连接销(12)垂直于这些金属片层(1、2、3、4)且因此沿径向方向(R)延伸，该连接销通过至少一个导电的中间件(13)与至少两个金属片层(1、2、3、4)金属连接，所述中间件在连接区域(6)中包围该堆叠(5)的多个金属片层(1、3、4)。
2.根据权利要求1所述的电连接，其特征在于，堆叠(5)中的最上部金属片层(3)在该内圆周(I)的至少35％上与金属外壳(7)平行地延伸，并且仅通过气隙(8)与所述金属外壳隔开。
3.根据权利要求1或2所述的电连接，其特征在于，堆叠(5)中的最上部金属片层(3)在该内圆周(I)的长度的至少40％上与该金属外壳(7)平行地延伸。
4.根据权利要求1或2所述的电连接，其特征在于，堆叠(5)的最上部金属片层(3)是细结构化的或光滑的。
5.根据权利要求1或2所述的电连接，其特征在于，至少所述最上部金属片层(3)或所述最下部金属片层(4)至少在部分区域中具有厚度增强部或者厚度大于堆叠(5)的其它金属片层(1、2)。
6.根据权利要求1或2所述的电连接，其特征在于，粗结构化的金属片层(2)以及细结构化的金属片层(1、3、4)分别波纹化，其中粗结构化的金属片层(2)的第二波纹高度(H2)大于细结构化的金属片层(1、3、4)的第一波纹高度(H1)。
7.根据权利要求1或2所述的电连接，其特征在于，粗结构化的金属片层(2)以及细结构化的金属片层(1、3、4)被波纹化，其中粗结构化的金属片层(2)的第二波纹长度(L2)大于细结构化的金属片层(1、3、4)的第一波纹长度(L1)。
8.根据权利要求1或2所述的电连接，其特征在于，通过多个支承销(17)稳定该堆叠(5)的形状，其中至少一个支承销(17)布置成沿着堆叠(5)的走向测量距连接销(12)的距离小于10cm。
9.根据权利要求1或2所述的电连接，其特征在于，中间件(13)至少延伸直至堆叠(5)的入口侧(14)或出口侧(15)，且至少部分地包围至少所述入口侧(14)或出口侧。
10.根据权利要求1或2所述的电连接，其特征在于，中间件(13)围绕堆叠(5)的一个端部(16)包围该堆叠(5)。
11.根据权利要求10所述的电连接，其特征在于，中间件(13)的形状至少与堆叠(5)的端部(16)的纵截面(20)的形状或横截面(19)的形状匹配。
12.根据权利要求9所述的电连接，其特征在于，该中间件(13)直接接触该堆叠(5)的多个或所有金属片层，该直接接触通过所述金属片层至少在入口侧(14)或出口侧(15)抵靠中间件(13)实现。
13.根据权利要求1或2所述的电连接，其特征在于，堆叠(5)的横截面(19)在中间件(13)的区域中具有与在堆叠(5)的其余走向中相同的形状和尺寸。
14.根据权利要求1或2所述的电连接，其特征在于，堆叠(5)的端部(16)在中间件(13)外部渐缩。
15.一种蜂窝体(18)，它具有根据前述权利要求中任一项所述的电连接。
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