CN106351719A - 可电加热的催化转化器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开用于处理气流、尤其是内燃机废气流的可电加热的催化转化器(100,200,300,400)，包括管状壳体(101,201,301,401)，由管状壳体围住的内部空间，设置在管状壳体内部空间中并可由电加热器加热的多孔结构，其中电加热器是矿物绝缘加热器(103,203,303,403)，具有热导体(104,204,304,404)，至少一个正面连接开口(109,209,210,309,409)以及至少一个外金属套(108,208,308,408)，矿物绝缘加热器具有至少一个穿过壳体壁的段(103,203,303,403)。

Description

可电加热的催化转化器及其制造方法

相关申请的交叉引用

根据U.S.C三十五章§119，本申请要求于2015年7月17日提交的德国专利申请102015 111 689.8的优先权，其全部内容通过引用合并在此。

技术领域

本发明涉及可电加热的催化转化器及其制造方法。

背景技术

用于处理气流的催化转化器通常是已知的，尤其是用于机动车辆内燃机的废气处理。它们可包括许多组件，尤其是三路催化转化器，烃吸附器以及多孔结构，特别地多孔结构可实施为网格、纱网或蜂巢体。根据例如EP 0 638 710 A2和EP 0 485 179 A2，这种系统是已知的。

这种催化转化器的特殊问题是，它们应在冷起动阶段起作用。为了确保这点，根据例如DE 10 2007 024 563 A1已知，催化转化器可装配有可电加热的蜂巢体，其用来加热废气。

根据现有技术，已知的热多孔结构按以下原理作用：加热效果通过流经线、板或板堆(其一起构成多孔结构)中的至少一些的电流来实现。由于需要均匀加热的效果，必须向多个丝、板或板堆施加电流，并确保一方面，这样形成的电流路径具有定义为固定电阻的电阻，特别地其尽可能相同，另一方面确保丝、板或板堆之间电绝缘。为此，特别地，丝、板或板堆必须电绝缘悬置。所有这些绝缘会阻碍废气流动。结果，导致复杂且昂贵的制造工艺，此外也导致可加热的催化转化器对振动敏感并具有相当高的故障风险。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种有成本效率的可电加热的催化转化器，其可以简单的方法制造并具有鲁棒性，以及该催化转化器的制造方法。

该目的由本发明可电加热的催化转化器及其制造方法来实现。

根据本发明用于处理气流，尤其是内燃机的废气流的可电加热的催化转化器具有管状壳体，由管状壳体围住的内部空间，以及设置在管状壳体内部空间中的多孔结构，该多孔结构可经由电加热器加热，特别地可实施为网格、纱网或蜂巢体。

对本发明来说重要的是，电加热器是矿物绝缘加热器，具有热导体，至少一个正面连接开口和至少一个外金属套，其中该矿物绝缘加热器具有至少一个穿过壳体壁的段，以便所有正面连接开口设置在管状壳体内部空间的外部，矿物绝缘加热器的外金属套在这个段直接或经由矿物绝缘真空密封的管道焊接或钎焊至管状壳体，并且其中热导体至少在矿物绝缘热导体设置在气体管通内部空间的段完全嵌入到绝缘材料中，该绝缘材料优选是压紧的。绝缘材料的合适材料尤其是陶瓷材料。

通过使用具有外金属套的矿物绝缘加热器来确保期望的电绝缘，外金属套具有设置在壳体外部的正面连接开口，同时外金属套焊接或钎焊至壳体以确保电加热器的尺寸稳定和抗振布局。

多孔结构(尤其是网格、纱网或蜂巢体)的均匀加热可通过将矿物绝缘加热器的至少一段卷到该多孔结构中实现。特别地，这可在矿物绝缘加热器为螺旋形状，例如具有不同半径、同心卷绕的螺旋弹簧的形式时实现。

振动稳定性的进一步改进可在矿物绝缘加热器焊接，尤其是真空焊接至多孔结构时实现。

使用具有金属套的矿物绝缘加热器的特殊优势在于，矿物绝缘加热器的截面形状可根据需要塑造。特别地，通过改变该形状可影响催化转化器中设置有矿物绝缘加热器的段中的气流，而且，通过改变该形状可实现加热的均匀化。

这被证明是特别有利的，在矿物绝缘加热器沿气体流动方向的截面小于沿多孔结构壁(尤其是沿蜂巢体的蜂巢壁的方向)的方向的截面时，并且矿物绝缘加热器的延伸(应注意这里延伸是指几何延伸以避免误解，尽管这是不太可能的)是沿面向多孔结构壁，尤其是蜂巢体的蜂巢壁的方向的延伸的至少四倍，优选地至少十倍。

矿物绝缘加热器的加热元件在一端连接至管状壳体的实施例也是可以想到的，这样管状壳体起到回路导体的作用。这减少了布线的工作量。

在管状壳体由具有至少25％(优选地至少50％)镍含量的因科镍合金材料构成时是特别有利的。

根据期望的热分布，多个矿物绝缘加热器可设置在多孔结构的开口中，尤其是在蜂巢结构的开口中。

根据本发明用于制造可电加热的催化转化器的方法包括以下步骤：

-提供平的多孔结构和矿物绝缘加热器，特别地平的多孔结构可实施为网格、纱网或蜂巢体结构，矿物绝缘加热器与多孔结构相接触，并具有热导体，至少一个正面连接开口和至少一个外金属套，该矿物绝缘加热器设置在多孔结构上使得至少一个正面连接开口伸出多孔结构；

-将平的多孔结构和与其相接触的矿物绝缘加热器卷起；

-将通过卷起形成的卷起多孔结构与同时通过卷起而卷起的加热器的外金属套钎焊在一起，其中钎焊优选在真空环境下进行；

-将卷起的多孔结构与卷入其中的矿物绝缘加热器插入到壳体中，使得伸出多孔结构的至少一个连接开口从壳体的内部空间中伸出通过壳体壁上的管道开口；

-将矿物绝缘真空密封管道中的矿物绝缘加热器的外金属套直接或经由矿物绝缘真空密封管道焊接或钎焊至管状壳体，使得管道开口以真空密封的方式闭合。

这种方法的强大优势在于其可以简单且成本有效的方式进行。

方法步骤可以描述的方式进行，但需明确指出，在其中一个步骤之后进行对卷起的多孔结构的钎焊也是可行的。

特别地，矿物绝缘加热器设有焊接的连接开口，并且该连接开口仅在钎焊(尤其是真空钎焊)步骤之后打开也是可行的。

在所附权利要求中详细指出了描绘本发明新颖性的各种特征，其形成本公开的一部分。为了更好地理解本发明，其操作优势以及通过使用获得的特殊目的，对附图和具体实施方式作出说明，具体实施方式中说明了本发明的优选实施例。

附图说明

在附图中：

图1是可电加热的催化转化器第一实施例的截面图；

图2是图1中示出的实施例的矿物绝缘加热器沿垂直于矿物绝缘加热器延伸方向的方向的截面图；

图3是图1实施例的截面的放大细节图，沿矿物绝缘加热器的加热元件所在平面剖开；

图4是可电加热的催化转化器第二实施例的截面图；

图5是可电加热的催化转化器第三实施例的截面图；和

图6是可电加热的催化转化器第四实施例的截面图。

具体实施方式

对于不同附图中示出的相同实施例的相同组件采用相同的附图标记。

图1示出可电加热的催化转化器100第一实施例的截面。可电加热的催化转化器100具有管状壳体101。多孔结构102(在本示范实施例中设计为蜂巢体)设置在由壳体101围住的内部空间中，多孔结构102借助于螺旋嵌入在多孔结构102(配置为蜂巢体)中的电加热器加热。

如从图2中示出的截面图最好看出的，该电加热器是具有热导体104的矿物绝缘加热器103，热导体104具有第一段104a和沿相反方向平行延伸的段104b，所述热导体在矿物绝缘加热器103的末端105(在图1中示出该末端)区域相互连接。热导体104嵌入在压紧的绝缘材料106中，其完全(即，沿垂直于延伸方向的所有方向)嵌入在压紧的绝缘材料106中，该绝缘材料可由例如氧化镁构成。而且，矿物绝缘加热器103具有外金属套108。

图2中示出的矿物绝缘加热器103沿气体流动方向(即，从外金属套108由字母a标记的一侧看时)的截面小于沿面向多孔结构102的壁的方向(即，在这里示出的多孔结构102的实施例中，沿面向蜂巢体的蜂巢壁的方向)看时的截面，即从外金属套108由字母b标记的一侧看时。

而且，沿气体流动方向，即，沿金属套108由字母b标记的一侧，矿物绝缘加热器103的延伸是沿面向多孔结构102的壁的方向(即，沿面向蜂巢体102的蜂巢壁的方向，其对应于由字母a标记的方向)的延伸的四倍。

如图1中看到的，矿物绝缘加热器103还具有正面连接开口109，其位于矿物绝缘加热器103穿过管状壳体101的壁的段103a上，所以该连接开口位于管状壳体的内部空间之外。矿物绝缘加热器103的外金属套108在这个段上(更准确地，在穿过管状壳体的点处)与焊接节点110紧密连接。

图3是图1实施例的截面的放大细节图，沿矿物绝缘加热器103的热导体104所在的平面剖开，该放大细节图再次说明载流热导体104通过压紧的绝缘材料106与外金属套108电绝缘，并且热导体104产生的热量经由绝缘材料106和外金属套108释放到多孔结构102的壁结构，即，示出的实施例中蜂巢体的蜂巢结构。

图4示出的可加热的催化转化器200的实施例与图1至3中实施例的区别仅在于：矿物绝缘加热器203的配置。这包括嵌入在压紧的氧化镁填料(未示出)中的带状热导体204，具有两个正面连接开口209、210的外金属套208，这两个连接开口位于矿物绝缘加热器203穿过管状壳体201的两个段203a、203b上，所以它们位于管状壳体201的内部空间之外。矿物绝缘加热器203的外金属套208在这些段上(更准确地，在各自穿过管状壳体201的点处)与焊接节点211、212紧密连接。

而且，在图4中还为热导体204供电提供了连接插头213、214。连接插头213、214具有接触插座215、216，其插到带状热导体204上，并通过与不导电的浇铸复合物219浇铸在一起而固定且电绝缘，浇铸复合物219容纳在固定在外金属套208上的插头壳体217、218中。

图5示出具有管状壳体301的可加热催化转化器300第三实施例沿弯曲段表面的截面，其中第一多孔结构302和第二多孔结构320嵌入在该管状壳体301 中，第一多孔结构302在本示例中配置为第一蜂巢体，并可用矿物绝缘加热器303加热，矿物绝缘加热器具有与图4中示出的加热器相同的配置，第二多孔结构320在本示例中配置为第二蜂巢体。特别地，通过本示范实施例说明，在催化转化器300的局部区域可加热时，可电加热的催化转化器300已存在于本发明的概念中。

图6中示出的可加热催化转化器400的实施例(与图5的实施例一样)，包括具有第一多孔结构402和第二多孔结构420的管状壳体401，第一多孔结构402在该示范实施例中配置为蜂巢体，第二多孔结构420在本示范实施例中配置为蜂巢体，其中第一多孔结构402可由矿物绝缘加热器403加热。这两个实施例的主要区别在于，矿物绝缘加热器403的热导体404在一端连接至金属套408，这样电流通过第一多孔结构402传送至用作回路导体的管状壳体401。

另一个区别在于，这里与管状壳体401的接触经由管道421形成，其放置在金属套401上并填充有矿物绝缘材料422。

虽然已示出并详细描述了本发明的具体实施例以说明本发明原理的应用，应了解，本发明可在不脱离此原理的情况下以其他方式实施。

附图标记列表

100、200、300、400 可电加热的催化转化器

101、201、301、401 壳体

102、202、302、320、402、420 多孔结构

103、203、303、403 矿物绝缘加热器

103a、203a、203b、303a、403a 矿物绝缘加热器的段

104、204、304、404 热导体

104a 热导体的第一段

104b 热导体的第二段

105 热导体的末端

106、206、306、406 绝缘材料

108、208、308、408 金属套

109、209、210、309、409 正面连接开口

110、211、212、311 焊接节点

213、214、313 连接插头

215、216、315、415 接触插座

217、218、317 插头壳体

219、319 浇铸复合物

421 管道

422 矿物绝缘材料

a、b 外金属套的侧面。

Claims (20)

1.一种可电加热的催化转化器，用于处理气流，特别是内燃机的废气流，所述可电加热的催化转化器包括：

管状壳体；

由所述管状壳体围住的内部空间；和

设置在所述管状壳体的所述内部空间中并配置成通过电加热器加热的多孔结构，所述电加热器是矿物绝缘加热器，包括热导体、至少一个正面连接开口和至少一个外金属套，其中所述矿物绝缘加热器具有至少一个穿过壳体壁的段，以便各所述正面连接开口设置在所述管状壳体的所述内部空间的外部，并且所述矿物绝缘加热器的所述外金属套在所述至少一个段直接或经由矿物绝缘真空密封管道焊接或钎焊至所述管状壳体，所述热导体至少在所述矿物绝缘加热器设置在所述壳体的所述内部空间的段中完全嵌入在压紧的绝缘材料中。

2.根据权利要求1所述的可电加热的催化转化器，其中所述矿物绝缘加热器的段卷到所述多孔结构中。

3.根据权利要求1所述的可电加热的催化转化器，其中所述矿物绝缘加热器钎焊至所述多孔结构。

4.根据权利要求1所述的可电加热的催化转化器，其中所述矿物绝缘加热器沿气体流动方向的截面小于沿面向所述多孔结构的壁的方向的截面。

5.根据权利要求4所述的可电加热的催化转化器，其中所述矿物绝缘加热器沿所述气体流动方向的延伸尺寸是沿面向所述多孔结构的壁的方向的延伸尺寸的至少四倍。

6.根据权利要求1所述的可电加热的催化转化器，其中所述矿物绝缘加热器的所述热导体在一端以导电方式连接至所述管状壳体，以便所述管状壳体用作回路导体。

7.根据权利要求1所述的可电加热的催化转化器，其中所述管状壳体包含具有至少25％镍含量的因科镍合金(Inconel)材料。

8.根据权利要求1所述的可电加热的催化转化器，其中多个矿物绝缘加热器设置在所述多孔结构中。

9.根据权利要求1所述的可电加热的催化转化器，其中所述压紧的绝缘材料是陶瓷绝缘材料。

10.根据权利要求1所述的可电加热的催化转化器，其中所述矿物绝缘加热器真空钎焊至所述多孔结构。

11.根据权利要求4所述的可电加热的催化转化器，其中所述矿物绝缘加热器沿所述气体流动方向的延伸尺寸是沿面向所述多孔结构的壁的方向的延伸尺寸的至少十倍。

12.根据权利要求1所述的可电加热的催化转化器，其中所述管状壳体包含具有至少50％镍含量的因科镍合金(Inconel)材料。

13.一种制造可电加热的催化转化器的方法，所述方法包括以下步骤：

提供平的多孔结构和矿物绝缘加热器，所述矿物绝缘加热器与所述平的多孔结构相接触，所述矿物绝缘加热器具有至少一个正面连接开口和至少一个外金属套，所述矿物绝缘加热器设置在所述平的多孔结构上，使得所述至少一个正面连接开口伸出平的蜂巢结构；

将所述平的多孔结构与所述矿物绝缘加热器卷起，所述矿物绝缘加热器与所述平的多孔结构相接触；

将通过卷起所获得的所述卷起的多孔结构与通过卷起而卷入所述平的多孔结构中的所述矿物绝缘加热器的所述外金属套钎焊在一起；

将所述卷起的多孔结构与卷到所述平的多孔结构上的所述矿物绝缘加热器插入到管状壳体中，使得伸出所述多孔结构的所述至少一个正面连接开口从所述管状壳体的所述内部空间伸出通过壳体壁上的管道开口；以及

将所述矿物绝缘加热器的所述外金属套直接或经由矿物绝缘真空密封管道焊接或钎焊至所述管状壳体，使得所述管道开口以真空密封方式闭合。

14.根据权利要求13所述的方法，其中所述钎焊在真空环境下进行。

15.根据权利要求13所述的方法，其中所述矿物绝缘加热器包括热导体，所述热导体至少在所述矿物绝缘加热器设置在所述壳体的所述内部空间的段中完全嵌入在压紧的绝缘材料中。

16.根据权利要求13所述的方法，其中所述矿物绝缘加热器沿气体流动方向的截面小于沿面向所述平的多孔结构的壁的方向的截面。

17.根据权利要求16所述的方法，其中所述矿物绝缘加热器沿所述气体流动方向的延伸尺寸是沿面向所述多孔结构的壁的方向的延伸尺寸的至少四倍。

18.根据权利要求15所述的方法，其中所述矿物绝缘加热器的所述热导体在一端以导电方式连接至所述管状壳体，以便所述管状壳体用作回路导体。

19.根据权利要求13所述的方法，其中所述管状壳体包含具有至少25％镍含量的因科镍合金(Inconel)材料。

20.根据权利要求15所述的方法，其中多个矿物绝缘加热器设置在所述平的多孔结构中，所述压紧的绝缘材料是陶瓷绝缘材料。