CN107109986A - 具有电加热装置的蜂窝体 - Google Patents

Abstract

具有电加热装置（2）的蜂窝体布置结构（1），其中所述电加热装置（2）包括至少一个电绝缘的、具有导线直径（4）的加热丝（3），所述加热丝借助销钉布置结构（5）以导线直径（4）的至少五倍且最大十五倍的距离（8）固定在蜂窝体（7）的端面（6）上。

Description

具有电加热装置的蜂窝体

技术领域

本发明涉及一种具有电加热装置的蜂窝体布置结构。这种蜂窝体布置结构尤其是安装在机动车的废气后处理设备中，尤其以便在那里实现有针对性的温度管理。

背景技术

为了限制尤其是机动车中的内燃机的有害物质排放，长期以来使用催化转换器和/或颗粒过滤器或类似装置来净化废气。为了以催化的方式辅助地转换有害物质，废气和/或催化转换器或颗粒过滤器必须具有预先给定的最低温度。特别地，在内燃机冷启动或重新启动之后通常还未达到这种最低温度。因此尝试，通过电运行的加热元件来提高废气和/或催化转换器或颗粒过滤器的温度。

从而例如由EP-Bl-0783621获悉一种可电加热的催化器，所述催化器构造有两个蜂窝体。第一蜂窝体在此连接到电源上并且可以用电流流经。然后由于欧姆电阻加热，显著地加热了第一蜂窝体的板膜，其中第一蜂窝体的与之处于接触中的催化涂层和/或流经第一蜂窝体的废气被加热。出于稳定性原因此外规定，所述第一蜂窝体借助销钉和保持元件被支承到随后布置的第二蜂窝体上。可电加热的催化器的这种设计方案已经非常成功，然而在制造时还总是需要相对较高的费用。

此外由WO-Al-2013064373已知一种废气后处理设备，其中设置了蜂窝体，在其出口侧设置用于加热元件的接纳部。所述加热元件尤其通过电导体形成，所述电导体被绝缘体包围。所述加热元件构成在接纳部中并且与蜂窝体的至少一个板层连接，从而使得所述加热元件不可遗失地被固定在蜂窝体中。废气处理设备的这种设计方案引起：可以简单地制造所述废气处理设备并且可对其进行电加热。在此，可以在废气后处理设备的制造过程期间集成加热元件，但是也可以在制造蜂窝体之后将所述加热元件集成于其中。然而这种方案导致了，需要有针对性地加工蜂窝体的板层，并且废气只有在从蜂窝体排出前不久才通过与加热元件的接触而被加热。

在机动车中通常仅在确定的时刻才提供预先给定的能量或电压。于是，之前这种电加热元件可以多次地仅利用12伏或最大24伏的电压来运行。然而现在存在下述可能性，车载电网可以提供直至48伏的电压。为了在此实现足够的欧姆电阻加热，电加热元件必须形成相对较高的电阻。在此，加热元件的一些设计方案是优选的，这些设计方案提供了在0.5至5欧姆范围内的电阻。具有48伏的车载电网或能量系统的应用或者说使用对电加热元件的设计及其集成到废气后处理设备中提出了新的挑战。上述情况一方面涉及这种电加热元件的运行或这种电加热元件在废气后处理设备中的布置，而且还涉及相应的蜂窝体布置结构的制造，所述蜂窝体布置结构在成本和安装方面应简单地设计。

与以高电压（例如24伏或尤其是在48V的情况下）来使用加热元件相关地，被证明有问题的是腐蚀。于是，例如已经查明，用于热导体的材料（例如可电加热的蜂窝体的金属膜）的腐蚀损害随着电压的升高而增大。于是，可以获知，一排材料的这种腐蚀损害在利用48伏电网运行时相对于传统的12伏电网以显著的因数F升高，其中F为至少3、至少5或者甚至至少8（在腐蚀环境中、即在NaCl润湿时获知）。因此在这种环境中在持久地运行这种加热元件方面存在显著的调整需求。

发明内容

基于上述情况本发明的任务在于，至少部分地解决关于现有技术所描述的问题。特别地，应说明一种蜂窝体布置结构，利用该蜂窝体布置结构一方面能够关于废气后处理设备实现有针对性的温度管理，但是所述蜂窝体布置结构同时还特别有效地且在48伏车载电网的范围内工作。此外，蜂窝体布置结构应当在废气后处理设备中的最为不同的环境条件下实现受控的电流或者希望的温度曲线，尤其是在考虑热膨胀性能的情况下基于废气后处理设备中的温度波动和/或压力脉冲实现所述受控的电流或者希望的温度曲线。进一步地，焦点在于提出一种蜂窝体布置结构，所述蜂窝体布置结构能实现相对简单的安装。此外，所述蜂窝体布置结构应在下述情况下形成相对较小的压力损失：具有电加热装置的这种蜂窝体布置结构被废气流流经。此外值得期待的是，电加热的作用范围不仅能传递到废气流上，而且还能传递到具有催化活性涂层的蜂窝体上。

所述任务通过根据专利权利要求1的特征的、具有电加热装置的蜂窝体布置结构来解决。本发明的其他有利的设计方案在从属的专利权利要求中给出。要指出，在专利权利要求中单独列举的特征能以任意的、在技术上有意义的方式彼此组合，并且阐明了本发明的其他设计方案。说明书、尤其还与附图相关地说明了这些特征并且给出了其他组合可能性，这些组合可能性同样是本发明的实施变型方案。

就在此提出的具有电加热装置的蜂窝体布置结构而言规定，所述电加热装置包括至少一个电绝缘的、具有导线直径（Drahtdurchmesser）的加热丝。所述加热丝借助销钉布置结构以导线直径的至少五倍且最大十五倍的距离固定在蜂窝体的端面上。

关于电加热装置要说明，所述加热装置尤其如此设计和设置，使得该加热装置能利用48伏电网来运行。所述加热装置可以包括一个或多个加热丝，所述加热丝可以彼此电串联和/或并联。至少一个加热丝尤其具有能导电的导线芯，所述导线芯一方面与电源接触并且另一方面电气接地。此外，所述导线芯向外（完全）电绝缘，从而尤其不允许朝向不同于下述部件的区域的直接的电接触：连接电极、尤其是蜂窝体布置结构的邻接的壳体、销钉布置结构和/或蜂窝体。为导线芯提供了包括镍和铬的材料。包围导线芯的导线绝缘部例如可以由粉末状的、高度压缩的氧化矿物（Mineraloxid）、例如氧化铝或氧化镁形成。因此加热丝优选根据所谓的同轴电缆的类型来构造，具有位于内部的能导电的导线芯和在外部包围的导线绝缘部。所述导线绝缘部刚好还用于明显降低开篇所描述的腐蚀损害。此外可以有帮助的是，所述加热丝附加地设计有导线外罩，所述导线外罩又由金属构成。加热丝的这种设计方案引起了，由于欧姆电阻加热而在导线芯中形成的热量能快速且全面地排到金属的导线外罩上，其中基于在那里通过直接接触废气和/或销钉布置结构，可以有效地实现热传导。在蜂窝体布置结构的应用领域方面，优选耐高温的且抗腐蚀的导线外罩，例如钢（如Inconel®600）。

所述导线芯在多种应用中都具有在长度上均匀地构成的导线芯横截面。然而，所述导线芯横截面在长度上可以改变、例如缩小，以便在预先确定的区段中实现预先确定的提高的加热功率。

所述加热丝还具有（由外壁定义的）导线直径，利用该导线直径基本上可以表征加热丝本身的空间大小。

深入的研究已经证明，这种电绝缘的加热丝在蜂窝体上游的使用恰好与48伏电网相关地在下述情况下实现了对于有针对性地进行温度管理来说非常好的可能性：相应的加热装置与蜂窝体间隔开地定位，其中然后在预先给定的或已知的或设定的最低温度的情况下实现了有害物质的（催化的）转换。而且在上面所列举的其他目标方面也已经查明，所述电加热装置后来能借助销钉布置结构以（平均的）导线直径的至少五倍且最大十五倍的预先定义的距离定位在蜂窝体的端面上。换句话说这意味着，废气首先流经具有至少一个电绝缘的加热丝的电加热装置并且然后（仅）沿着销钉布置结构进一步运动，此后最终进入到蜂窝体中。尤其已经查明，在低于在此提出的导线直径的五倍的距离时出现了废气在蜂窝体的端面上的不利的入流情况。此外，积聚在那里的碳黑跳线（Rußbrücken）可能被烧尽并且长期地导致对蜂窝体布置结构的损害。如果以超过导线直径的五倍的方式扩大所述距离，则蜂窝体布置结构可能易于发生不希望的振动和/或抖动，由此同样对蜂窝体布置结构的疲劳强度有害。此外，在此给出的、导线直径的五倍直至十五倍的距离的范围允许由于在废气后处理设备中的变化的环境条件而在加热装置和蜂窝体之间有足够的相对运动。十分特别且优选的是，所述距离在导线直径的八倍至十三倍的范围中进行选择。

所述销钉布置结构尤其包括多个单独的销钉，所述销钉以预先给定的距离固定至少一个电绝缘的加热丝并且此外本身（仅还）与后置的蜂窝体接触或者固定在那里。此外，所述销钉布置结构尤其是如此设计，使得所述销钉布置结构能实现从加热装置或加热丝朝向蜂窝体的热传导。因此，所述销钉布置结构或销钉至少部分地用导热的材料填满，尤其是在销钉布置结构与加热丝的接触区域中用导热的材料填满。

特别优选的是，所述电加热装置包括一个单个的加热丝，所述加热丝如此布置，使得所述加热丝形成了加热盘（Heizscheibe），所述加热盘以相对于蜂窝体的端面相同的距离被固定。在这种情况下，所述单个的加热丝可以曲折状地、螺旋状地或类似形状地并且/或者基本上在一平面中优选均匀分布地布置。在此，所述单个的加热丝覆盖紧接着的蜂窝体的端面的部分区域和/或全部并且因此形成了盘的样式。可以明确的是，优选如此敷设所述加热丝，使得在加热丝环（Heizdrahtschleifen）之间还存在足够的间隔，废气可以穿过所述加热丝环。优选的是，关于蜂窝体端面的所希望的被覆盖的面积在20 %和60 %之间通过电加热丝来覆盖。可以在考虑蜂窝体布置结构的最大允许的或所希望的压力降的情况下来选择所述间隔或覆盖度，上述情况对于本领域技术人员来说不成问题。即使所述加热盘原则上可以倾斜于蜂窝体的端面来固定，从而上面所提到的距离在任何情况下也都在狭窄位置处实现，那么仍然优选的是，实现加热盘关于蜂窝体的端面基本上平行的布置。如果例如蜂窝体的端面也倾斜于废气的流动方向定位，则同样优选的是，所述加热盘同样倾斜于废气的流动方向以保持不变的距离在整个端面上取向。原则上，多个加热盘——它们分别由单个的加热丝形成——也可以沿废气的流动方向前后相继地布置并且利用（尤其是单个的）销钉布置结构以分别相对于蜂窝体的端面保持不变的距离被固定。

此外提出了，所述销钉布置结构包括多个单独的销钉，所述销钉延伸到从蜂窝体的端面开始的空腔中并且被固定在那里。十分特别优选的是，所述销钉布置结构仅由多个单独的销钉形成。在此使用的术语“销钉”可以广义地解释并且基本上应表达为：存在长形的元件，所述长形的元件跨过开篇所提到的距离并且与此相应地具有对置的端部区域，所述端部区域一方面能与加热丝共同作用并且另一方面能与蜂窝体的空心腔共同作用。销钉的端部区域的具体设计方案可以针对应用情况而构成，例如以柱形、锥形来构成；构成有钩、孔眼、止挡部、倒角（Fase）等。原则上不需要，每个销钉都进入到蜂窝体的空腔中。例如在蜂窝体设计成具有相互间封闭的通道（塞子）的颗粒过滤器时，销钉的一部分可以延伸到所述通道中，并且另一部分延伸到塞子和/或通道壁中。所述空腔例如也可以根据连贯的和/或随后封闭的通道、折叠部、凹部等的类型来形成。将销钉固定在空心腔中尤其借助材料锁合（材料-材料-连接）、尤其是通过硬焊连接、烧结连接、扩散连接、焊接连接或类似连接来实现。销钉的数量又可以在考虑加热装置、蜂窝体和/或废气后处理设备的具体设计方案的情况下来选择。销钉的数量通常至少为十、尤其是至少为二十或至少为三十。

十分特别优选的是，销钉布置结构是金属的。上述情况一方面可以是指，所述销钉布置结构具有金属的部分区域，然而优选的是，所述销钉布置结构（或单独的销钉）完全（仅）由金属制成。销钉布置结构的金属的设计方案尤其能实现从电加热装置或加热丝朝向蜂窝体和/或在其上顺着流动的废气的有效的热传导。这尤其在下述情况下适用：所述加热丝设计有金属的导线外罩。这种设计方案恰好也是优选的，因为从而能在导线外罩和销钉布置结构或销钉之间又优选借助材料锁合（材料-材料-连接）实现简单的连接。而且在这种情况下可以关于销钉布置结构而选择金属，这种金属持久地承受高温和在废气后处理设备中的腐蚀的环境。

此外下述情况被认为是有利的，至少一个加热丝具有椭圆形的导线横截面。在加热丝的这种设计方案中，在废气流入加热丝时，根据废气是流动到椭圆形的导线横截面的较大的导线直径上或还是较小的导线直径上产生了不同的流动阻力。就此而言特别优选的是，所述加热丝如此布置在蜂窝体布置结构中，从而产生尽可能小的流动阻力，即椭圆形的导线横截面以其最小的导线直径阻碍流动。以这种方式，可以提供同时相对较大面积的导线横截面用于产生所希望的电阻，而不会过度地阻碍流经加热装置或蜂窝体布置结构。十分特别优选的是，椭圆形的导线横截面的最大直径与最小直径的比例为5：1或者更大。在形状说明方面——在此存在“椭圆形的”导线横截面，尤其考虑制造这种加热丝。在此给出的直径比例当然可以同样利用其他导线横截面形状、例如矩形形状等来实现。

进一步地，蜂窝体布置结构被视为是有利的，其中所述销钉布置结构具有多个销钉通道，至少一个加热丝被引导穿过所述销钉通道。在这种情况下，尤其是销钉的至少一部分或甚至全部（例如根据孔眼、套环、钻孔等的类型）构成有销钉通道，从而所述加热丝可以在那里被引导穿过。此外优选的是，不仅仅将加热丝纯粹地引导到销钉通道中，而且在那里同时在销钉布置结构和加热丝之间实现了持久的连接。

电加热装置原则上可以具有两个对置的电极。这种情况提供了下述优点，对置的电极同样有助于电加热装置或加热丝的稳定布置。此外可以产生定向的通过电流。

针对蜂窝体布置结构可以设置共同的壳体，在该壳体中布置电加热装置和蜂窝体。尤其可以通过共同的壳体和必要时固定在其上的（对置的）电极实现具有这种电加热装置的、稳定的且受保护的蜂窝体布置结构。销钉布置结构尤其还用于，禁止将电流朝向壳体进行引导。

原则上，还可以设置多个加热装置，所述加热装置具有能单独调节的供电单元。所述多个加热装置例如可以分别跨过蜂窝体的端面的一部分并且/或者形成了贯穿的加热环，所述加热环分别在蜂窝体的整个端面上延伸。在此，所述加热装置例如可以利用不同的加热丝构成和/或利用不同的电压或电流（同时地和/或在时间上依次地）来运行。从而尤其是加热装置的不同的热功率可以通过简单地接通或断开加热装置来实现。

本发明尤其应用在机动车中，所述机动车具有：废气后处理设备；供电单元；根据在此提出的构造方式的、带有电加热装置的蜂窝体布置结构；以及控制单元，其中所述控制单元与供电单元和蜂窝体布置结构连接。所述控制单元尤其被设置用于，根据需要使电加热装置与供电单元接触，从而能实现有针对性地流经电加热装置的电流，以便在废气后处理设备（废气和/或蜂窝体和/或后置的废气后处理单元、如催化转换器、颗粒过滤器、吸收器等）中实现确定的温度条件。在此同样规定，至少在蜂窝体布置结构中集成的蜂窝体具有催化活性涂层（例如氧化催化器）。

所述蜂窝体优选利用至少一个金属的、尤其是至少部分结构化的层形成。所述金属层尤其可以设计成板层（例如设计成薄膜、必要时设计具有微观结构、导翼、开口、隙部、阱结构（Wellstruktur）等），设计成无纺织物（例如设计具有长丝（Drahtfilamenten）的混乱布置结构）和/或设计成金属网（Gitter）或织物（例如同样由导线（Drähten）制成）。所述金属在此耐高温且抗腐蚀并且因此适合于持久地经受在废气后处理设备中的条件。

在此尤其是规定，所述供电单元是48伏电网的组成部分并且可以相应地提供电流。

附图说明

随后借助附图详细阐述本发明以及技术领域。要指出，在附图中示出了特别优选的实施变型方案，然而所述实施变型方案不应限制在这里所描述的发明。其中示意性地示出了：

图1示出了蜂窝体布置结构的透视图，

图2透视地示出了加热丝的实施变型方案，

图3详细地示出了销钉布置结构的设计方案，和

图4示出了具有废气后处理设备的机动车。

具体实施方式

在附图中，相同的构件通常设有相同的附图标记。但是要指出，所述构件的分别示出的结构形状或其彼此在附图中的相互作用不必强制性地配套地理解。相反，一个附图中的构件和/或功能可以与至少另一个附图中的构件和/或功能组合。同样，从附图中也可以获取并且单独考虑部分方面或各个构件。仅仅倘若在此在接下来作出了明确表达，一些其他情况才应当适用。

图1示出了具有在外部勾画出的壳体16的蜂窝体布置结构1，所述壳体通常还朝向外部限定对于废气而言可流经的管路26。在右侧（或者说在下游），示出了蜂窝体7的端面6。通常，废气经由所述端面6进入到蜂窝体7中。蜂窝体7可以利用至少一个至少部分地结构化的金属层、金属的无纺织物、织物、网格和/或由经挤压的材料来提供。电加热装置2借助销钉布置结构5以预先给定的距离8被定位并且被支承到端面6上。在此示出的加热装置2根据加热盘10的类型以保持不变的距离8构造到蜂窝体7的整个端面6的上面。在这里所示出的情况下，加热装置2配备有一个单个的加热丝3，所述加热丝曲折状地（完全）跨过蜂窝体7的端面6。在此对置地设置两个电极15，所述电极可以输入和输出（电绝缘地）通过壳体16的电流。通过所述电极15，加热丝3例如与在此未示出的供电单元连接或电气接地。

图2示出了加热丝3的优选的变型方案，所述加热丝根据同轴电缆的类型构成。在此，在中心或在中央设置导电的导线芯22，所述导线芯形成导线芯横截面28。以同轴地根据空心柱体的类型包围所述导线芯22的方式设置了导线绝缘部9。又同轴于此且完全包围地设置了金属的导线外罩23。这种结构优选完全在加热装置的两个电极之间实现。同样从图2获悉，（外部的）导线横截面椭圆形地构成并且就此而言形成了最大和最小的导线直径4。

图3示出了销钉布置结构5的实施变型方案的细节，其中在此示例性地示出了两个不同的销钉11，然而上述情况对于销钉布置结构5而言并非强制性需要的。所述销钉11利用在此在下方示出的端部区域如此定位，使得所述销钉固定到蜂窝体7中、即插入到由端面6开始的空腔12中。为了这个目的，尤其是连接部24比如使用硬焊材料，尤其是当销钉11和蜂窝体7在所述区域中由金属构成时。为了从现在起使得在此示出的加热丝3以预先给定的距离8持久地相对于蜂窝体7的端面6固定，销钉11具有销钉通道14，在所述销钉通道14中引导或者说保持加热丝3。在销钉11的左侧的结构（Ausprägung）中，根据（封闭的）孔眼的类型来设置销钉通道14，而在右侧示出的销钉11根据钩或环（Schleife）的类型形成销钉通道14，在其中容纳了加热丝3。加热丝3相对于销钉11的固定还可以通过单独的夹紧元件27（在此例如根据紧固螺钉的类型）实现。然而，在（金属的）销钉11和（外部的金属的）加热丝3之间的材料锁合的连接可能是优选的。

仅仅为了完整性起见而要指出，在此未示出蜂窝体7的完整的延长结构，而是仅示出了在端面6附近的部分区域。所述空腔12在此尤其通过板层21形成，例如根据结构化的和/或平滑的板膜的类型形成。

为了说明应用领域，在图4中还示出了机动车18，所述机动车18包括内燃机25和后置的废气后处理设备19。在所述废气后处理设备19中集成了在此提出的蜂窝体布置结构1，该蜂窝体布置结构1具有多个电加热装置2，其中所述加热装置2又支承到后置的蜂窝体7上。所述机动车18此外具有控制单元20，利用所述控制单元20必要时能够基于内燃机25的测量值和/或运行方式根据需要将电流从供电单元17输送给多个电加热装置2。

具有电加热装置2的蜂窝体布置结构的在此提出的方案尤其允许集成到机动车的48V车载电网中，据此利用至少一个加热丝提供在0.5 - 5欧姆范围内的电阻。恰好在具有外部的金属的导线外罩的、同轴地构成的加热丝的情况下，所述销钉布置结构可以直接焊接到加热丝上，由此使得制造得以简化。此外这个方案允许通过导热向（涂层的）蜂窝体进行热输入，从而能实现快速的转换启动。因此，（由于相对高的电阻）尤其还可以设定特别小的加热功率。

Claims (10)

1.蜂窝体布置结构（1），具有电加热装置（2），其中所述电加热装置（2）包括至少一个具有导线直径（4）的电绝缘的加热丝（3），所述加热丝（3）借助销钉布置结构（5）以导线直径（4）的至少五倍且最大十五倍的距离（8）固定在蜂窝体（7）的端面（6）上。

2.根据专利权利要求1所述的蜂窝体布置结构（1），其中所述电加热装置（2）包括一个单个的加热丝（3），该加热丝（3）如此布置以使得该加热丝（3）形成一个加热盘（10），所述加热盘（10）以相对于所述蜂窝体（7）的端面（6）相同的距离（8）被固定。

3.根据专利权利要求1或2所述的蜂窝体布置结构（1），其中所述销钉布置结构（5）包括多个分离设置的销钉（11），所述销钉（11）延伸到从所述蜂窝体（7）的端面（6）开始的空腔（12）中并且被固定在空腔（12）中。

4.根据前述专利权利要求中任一项所述的蜂窝体布置结构（1），其中所述销钉布置结构（5）是金属的。

5.根据前述专利权利要求中任一项所述的蜂窝体布置结构（1），其中至少一个加热丝（3）具有椭圆形的导线横截面（13）。

6.根据前述专利权利要求中任一项所述的蜂窝体布置结构（1），其中所述销钉布置结构（5）具有多个销钉通道（14），所述至少一个加热丝（3）穿过所述销钉通道（14）。

7.根据前述专利权利要求中任一项所述的蜂窝体布置结构（1），其中所述电加热装置（2）具有两个对置的电极（15）。

8.根据前述专利权利要求中任一项所述的蜂窝体布置结构（1），其中设置公用的壳体（16），在该壳体（16）中布置所述电加热装置（2）和所述蜂窝体（7）。

9.根据前述专利权利要求中任一项所述的蜂窝体布置结构（1），其中设置了多个加热装置（2），所述多个加热装置（2）具有能分别可控的供电单元（17）。

10.机动车（18），具有：废气后处理设备（19）；供电单元（17）；根据前述专利权利要求中任一项所述的、带有电加热装置（2）的蜂窝体布置结构（1）；以及控制单元（20），其中所述控制单元（20）与所述供电单元（17）和所述蜂窝体布置结构（1）连接。