CN110139972B - 高功率密度绝缘尾气加热系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供了用于尾气系统或流体流动系统的加热装置。该加热装置具有容器主体，并且包括至少一个加热器元件和设置在该容器主体内的支撑件。该支撑件用于限制该至少一个加热器元件在该容器主体内的移动。该支撑体限定了弯曲的几何形状，并且沿该至少一个绝缘加热器元件的长度方向的大部分与该至少一个绝缘加热器元件的相对两侧相接。其中，该支撑件增加了从该至少一个加热器元件至流经该容器主体的尾气的热传导。

Description

高功率密度绝缘尾气加热系统

技术领域

本申请涉及用于内燃机的排尾气系统，更具体地，涉及一种安装于该尾气系统内的尾气加热装置。

背景技术

本节的陈述内容仅提供与本申请相关的背景信息，该信息并不构成现有技术。

加热器系统应用于与内燃机连接的尾气系统中，从而有利于减少排放到大气环境中的各种有害气体及其他污染排放物。这些尾气系统通常包括各种后处理设备，如柴油微粒过滤器(DPF)，催化转化器，可捕捉尾气中含有的一氧化碳(CO)、氮氧化物(NOx)、微粒物质(PMs)和未燃烧碳氢化合物(HCs)的选择性催化还原剂(SCR)，柴油氧化催化剂(DOC)，稀燃NOx捕集器(LNT)，氨泄漏催化剂或重整装置等。可周期性启动或者在预定时间启动加热器，从而提高尾气的温度并活化催化剂，以及/或者燃烧已在该尾气系统中收集到的颗粒物或未燃烧碳氢化合物。

电加热器通常安装于尾气管或者尾气系统的容器等部件中，并受到如振动、机械撞击、温度循环、高温等恶劣环境条件的影响。

发明内容

一方面，提供了一种加热装置，该加热装置用于具有容器主体的尾气系统。该加热装置包括至少一个加热器元件和置于该容器主体内并用于限制该至少一个加热器元件在该容器主体内移动的支撑件。该支撑件限定了弯曲的几何结构，并且与该至少一个加热器元件的相对两侧相接；因此，该加热器元件可用于提高从该至少一个加热器元件至流经该容器主体的尾气的热传导。

另一方面，提供了一种加热装置，该加热装置用于尾气系统。该加热装置包括限定一管状并且具有空腔的外周壁，位于该空腔内的至少一个加热器元件，以及与该至少一个加热器元件相连并用于将至少一个加热器元件产出的热传导至尾气的多个散热片，其中该尾气流经该外周壁的空腔。

又一方面，提供了一种加热装置，该加热装置用于尾气系统。该加热装置包括管状并且限定一空腔的外周壁，位于该空腔内的加热器元件，以及带状体。该加热器元件包括沿该外周壁径向排布的多个部分。该带状体包括位于该加热器元件的相邻的两个部分之间以及位于该加热器元件最外端的部分与该外周壁之间的多个部分。该带状体将该加热器元件固定至该外周壁，并提高了该加热器元件至流经该空腔的尾气的热传导。

又一方面，提供了一种加热装置，该加热装置用于具有流体管道的流体流动系统；该加热装置包括至少一个加热器元件和置于该流体管道内并用于限制该至少一个加热器元件相对该流体管道移动的支撑件。该支撑件限定了弯曲的几何结构，并且沿该至少一个加热器元件的长度方向的大部分与该至少一个加热器元件的两侧相接。该支撑件可用于提高从该至少一个加热器元件至流经该流体管道的尾气的热传导。

通过对本文提供的描述，可显而易见地应用于其他领域。应该理解，说明书及具体示例仅旨在描述目的，并不构成对本申请保护范围的限制。

附图说明

为了更好地理解本申请，通过示例并参考附图，结合多种实施形式对本申请进行说明，其中：

图1是根据本申请的理论构建的加热装置的立体图；

图2是图1所示加热装置的另一立体图，其中所示加热装置位于流体流动通道内；

图3是图2所示加热器元件的截面图；

图4是根据本申请的理论构建的管状加热器元件的截面图；

图5是根据本申请的理论构建的另一加热装置的立体示意图；

图6为图5所示加热装置的加热器元件的截面示意图；

图7是根据本申请的理论构建的又一加热装置的立体图；

图8是根据本申请的理论构建的又一加热装置的立体图；

图9为图8所示加热装置的波纹带的立体图，其中该波纹带处于原始未弯曲状态；

图10为图10所示加热装置的外周壁的立体图；

图11为图10所示外周壁的一部分的立体截面图；和

图12是根据本申请的理论构建的又一加热装置的立体图。

文中描述的附图仅用于描述目的，并不以任何方式限制本申请的范围。

具体实施方式

如下描述内容实质仅为示例性的，并不旨在限制本公开、申请及使用。应当理解的是，在所有的附图中，相应的附图标记表示相同或对应的部件或特征。

参考图1，在一种实施形式中，加热装置1一般包括接线盒5、穿孔盒总成10、包括一个或多个分立容器部分组件15的容器主体14以及加热器凸缘组件20。尾气系统耦合组件25位于该容器主体14的相对两端，从而将该加热装置1耦合至该尾气系统(未示出)内。该尾气通过形成于该加热装置1内的尾气通道29从该尾气系统流入该加热装置1内。该容器主体14和该加热凸缘组件20共同限定了该尾气通道29，该尾气通道29沿该容器主体14的尾气流动方向Z延伸。该加热凸缘组件20通常具有配置为一体成型的板状结构，并且可以包括多个突起22，这些突起22插入到容器主体14中相应的槽中(未显示)。加热装置1的模块化设计使加热装置1中各组件的尺寸可以保持不变，只需要改变各组件的长度以适应应用需求。可将接线盒盖7安装到该加热装置1中。

替换性地，可以将容器主体14和加热凸缘组件20适配安装于尾气管(未显示)内部，以使该容器主体14位于由该尾气管限定的尾气通道中。

在本申请其他实施形式中，另一加热器的配置中并不包括接线盒5和穿孔盒总成10，如下文更加详细描述的配置。因此应该理解，该接线盒5和该穿孔盒总成10只是示例性的，并不旨在限制本申请的范围。

参考图2，加热装置1包括一个或多个加热器元件12和支撑件16。加热器元件12的排列方向被配置为穿过尾气流动方向Z。例如，该加热器元件12可以是沿垂直方向Y扩展延伸的多个筒形加热器，其中方向Y垂直于尾气流动方向Z。或者，加热器元件12的排列方向被配置为与尾气流动方向Z呈一定角度。在图2中，移除了接线盒5和接线盒盖7，从而可以显示出加热器元件12的近端30和电源引脚40。

参考图3和图4，加热器元件12可以是筒形加热器，每个筒形加热器包括金属丝形式的电阻加热器元件22、缠绕有该电阻加热器元件22的芯体28、围绕该芯体28的外护套60和绝缘材料64。该芯体28可以是陶瓷芯体，该陶瓷芯体限定有两个纵向孔34、36。一对电源引脚40插入至该两个纵向孔34、36内。该电阻加热器元件22的第一端50电连接至其中一个电源引脚40，该电阻加热器元件22的另一端52电连接至其中另一个电源引脚40。该外护套60具有开口端和闭合端；或者具有两个开口端，从而在该外护套60和该电阻加热器元件22之间形成环形空间。该绝缘材料64填充在环形空间中，并且该绝缘材料64可以是在该电阻加热器元件22和该外护套60之间能够提供电隔离的任何材料。例如，该绝缘材料64可以是氧化镁(MgO)或类似物，并被注入护套60的开口端，从而填充该电阻加热器元件22与该护套60的内表面之间的环形空间。

可将该护套60的开口端密封，例如通过灌注混合物和/或分立密封件62。然后通过模锻或其他合适的流程压实或压缩整个总成，以减少该外护套60的直径，进而压实和压缩MgO，并且至少部分压碎该陶瓷芯体28，以而使该芯体28在该电源引脚40周围崩塌，以确保良好的电接触和热传递。压实后的MgO在电阻加热器元件22和外护套60之间提供了相对良好的热传导路径，并且还使该外护套60与该电阻加热器元件22实现电绝缘。该加热器件12限定了一近端30和与该近端30相对的远端32，其中密封件62设置在该近端30处，并且在该近端30处，该电源引脚40向外突出。

美国专利2,831,951和3,970,822更加详细地说明了筒形加热器的各种构造及进一步的结构和电路细节，这些细节都与本申请相符。该美国专利2,831,951和3,970,822的内容以其全文整体引入本文。因此应当理解，本文所陈述的实施形式只是一种示例目的，并不旨在限制本申请的范围。

回到图2，该加热器元件12的配置满足其远端32延伸至该尾气通道29，其近端30和该电源引脚40穿过该穿孔盒总成10并延伸至该接线盒7内。该支撑件16包括多个相互平行的支撑板18，该支撑板18沿水平方向X延伸，用于支撑该容器主体14中的多个加热器元件12，其中该水平方向X垂直于该尾气流动方向Z和垂直方向Y。该多个支撑板18可沿垂直方向Y间隔开，间隔距离小于3英寸。可选地，该支撑件16还包括至少一个横向件19，该横向件19沿垂直方向Y延伸，用于连接该支撑板18。该支撑板18和该横向件19可一体成型构成一整体，也可以分别构成，然后连接在一起。替换性地，支撑件16可以只包括一个支撑板18来支撑尾气通道29内的加热器元件12，同时将该加热器元件12产生的热量配给到尾气通道29内流动的尾气。支撑件16可提供导通、对流和辐射热传导，从而提高从加热器元件12到周围尾气的热传导，从而在不提高该加热器元件12的温度的前提下，与不具有该支撑件16的加热器元件相比，可获得更高的功率密度。

功率密度等于功率除以表面积。对于筒形加热器、电缆加热器或管状加热器的加热器元件，其表面积可以是护套表面积或电阻丝表面积。为避免过热而限定的加热器最大功率密度受尾气流速的影响，而尾气流速又受发动机转速和发动机负荷的影响。当尾气流速较高时，每单位时间的尾气会带走更多来该加热器元件的热量。因此，当尾气流速较高时，加热器元件会产生较高的功率密度，同时不会造成该加热器元件过热或损坏。需要提供一种具有更高功率密度的加热器，从而减少该加热器元件的尺寸和重量；当发动机以较低的发动机转速和较低的发动机负荷运行时，加热器元件的功率密度会受到限制。当发动机转速较低以及发动机负荷较小而导致尾气流速降低时，单位时间内尾气带走的热量会减少。加热器元件升温更快，因此使用较低的瓦特密度，以避免过热。筒形加热器元件、电缆加热器元件或管状加热器元件的耐久性部分取决于该电阻加热器元件和外护套的温度。因此，应该根据发动机转速和发动机扭矩来配置加热器元件，从而在不影响加热器元件耐用性的前提下适当地加热尾气。

例如，一台低怠速情况下运行的7升发动机的最大流速约为0.04kg/s，尾气温度约为150℃。在该尾气条件下，通常单个加热器元件可允许该护套的最大功率密度约为50watts/in²(瓦特/平方英寸)，可允许电阻加热丝的最大功率密度约为120watts/in²，以避免损坏加热器。

相比之下，在类似发动机操作条件下，根据本申请的包括加热器元件和支撑件的加热装置可允许该护套的最大功率密度约为84watts/in²，可允许电阻加热丝的最大功率密度约为230watts/in²，可以实现相同的加热器温度和耐久性。因此，本申请的加热装置相比于一般的加热器元件具有更高的功率密度。

因此，本申请中的加热装置的支撑构件不仅固化或限制了绝缘加热器元件的移动，而且提高了从该加热器元件到周围尾气的热传导。因此，在不增加该加热器元件的目标加热温度的前提下，还提高了该加热装置的功率密度。

替换性地，可将该加热器元件12固定安装至该尾气管道29内，例如通过穿孔盒总成10和/或位于该加热器元件12的近端32处的其他安装结构。在这种情况下，就不必要通过支撑件限制加热器元件12的移动。因此，该加热装置1可包括附在该加热器元件12上的一个或多个散热片，其唯一目的是提供导通、对流和辐射热传导，从而提高从加热器元件12到周围尾气的热传导。该散热片的结构可配置为类似于图2所示的支撑板18，但并不用于支撑该加热器元件12。

参考图5，在另一实施形式中，该加热装置70可包括加热器元件72和支撑件74。该加热器元件72可以是电缆加热器，并可弯折成螺旋状、弯曲状、线圈状、曲折状、之字状或其任何组合构成的形状。该支撑构件74可包括波纹带74和环绕该波纹带74的周壁76。在图5所示的示例中，该波纹带74弯折为螺旋状，该波纹带74的螺旋状与该加热器元件72的螺旋状相符，从而使得加热器元件72可被夹在波纹带74的各部分之间。换言之，该加热器元件72包括沿该周壁76径向排布的多个部分，该周壁76形状为管状，并限定了空腔。该带状体74包括位于该加热器元件72的相邻的两个部分之间以及该加热器元件72最外端的部分与该周壁76之间的多个部分。可选地，该波纹带74被回绕，从而具有一些重叠部分A。也可以采用螺旋形状以外的形状，例如波状弯曲(未显示)，如上均在本申请保护范围之内。

该波纹带74包括交替的脊线80和沟槽82。该波纹带74可在多个接触点上钎焊或焊接到该加热器元件72上，以增加该加热器元件72的硬度。该多个接触点沿该波纹带74的长度方向上以一定间隔长度间隔设置。该间隔长度小于该加热器元件72外径的十倍。加热器元件中位于相邻两个接触点之间的部分的固有振动频率可大于400HZ。当该波纹带74和该加热器元件72接触点较少时，热传导性能可能会受限，但是将该加热器元件72固定至该波纹带74相对容易。相比之下，当该波纹带74和该加热器元件72接触点较多时，该加热器的热传导性能得到了优化，但是将加热器元件72固定至波纹带74相对困难。接触点的数量的选择应满足整个加热装置的温度变化幅度小于200℃。

替换性地，该加热器元件72可以松散地设置在波纹带74的各部分之间，或者该波纹带74甚至不与该加热器元件72接触。在任何一种情况下，该波纹带74既作为加固件，又作为减振器。外壁72可以是该容器主体14的一部分，也可以是独立于该容器主体14的分立部件并完全配置在该尾气通道中。

如图2中所示的支撑件18，该波纹带74提供了导通、对流和辐射热传导的组合，从而提高从该加热器元件72到周围尾气的热传导，从而在不提高该加热器元件72的温度的前提下，与一般的加热器元件相比，可获得更高的功率密度。

参照图6，该加热器元件72可以是电缆加热器，包括电阻加热器元件84、外护套86和填充在该电阻加热器元件84和该外护套86之间空间的绝缘材料88。应该理解的是，该加热器元件72可以是筒形加热器、管状加热器或可以弯折成期望形状的任何加热器。

参照图7，在另一实施形式中，图中所示加热装置90包括加热器元件92和支撑件94。该支撑件94包括卷绕成螺旋状的波纹片96和环绕该波纹片96的外周壁98。该波纹片96可弯折为螺旋状，该螺旋状与该加热器元件92的螺旋状相符，从而使得加热器元件92可夹在该波纹片94的各部分之间。在本实施形式中，无需使用接线盒和穿孔盒总成，从而提供了一种更简单、成本更低的总成装置。

参照图8，除支撑件的结构外，图8所示的另一形式的加热装置的与图5所示的加热装置相似。更具体地，加热装置100包括加热器元件102和支撑件104，两者可以焊接或钎焊以实现连接。该支撑件104包括波纹带106和外周壁108。与图5中的波纹带106相似，该波纹带106可弯折成螺旋状，该螺旋状与加热器元件102的螺旋状相符；该波纹带106包括多个脊线110和沟槽112。该波纹带106的最外层部分被焊接到该外周壁108的脊线110处的内表面。该外周壁108可以是容器主体14的一部分，并限定了尾气通道29；或者，该外周壁108可以是独立于该容器主体14的组件。该外周壁108可松散地置于该容器主体14内，或固定于该容器主体14上。

参考图9，所示波纹带106处于原始的未弯折状态。该波纹带106在脊线80和沟槽82处具有多个凹痕114，以利于加热器元件102和波纹带106之间的接合。加热器元件102中与该凹痕114对应的部分可插入至凹痕114内，以加强该加热器元件102与该波纹带106之间的接合。虽然图中仅示出一行凹痕114，但是应该理解，还可以采用多行凹痕，如上均在本申请保护范围之内。

参考图10和图11，该外周壁108可具有用于将该波纹带106安装到该外周壁108上的安装特征件。例如，该安装特征件可以是位于该外周壁108的内表面上的多个环形槽118，以利于波纹带106与外周壁108之间的接合。应该理解的是，该安装特征件并不局限于图10和图11所示的环形槽118，还可以是能够将该波纹带106接合并固定在该外周壁108上的任何结构。

参考图12，根据本申请的理论构建的另一形式的加热装置120类似于图5所示的加热装置，除了加热装置120尺寸更小，从而可以适配到后处理容器或组件中的任一部分，进而加热该尾气；同时，可生成与更大尺寸的加热装置可生成的热量相当或者接近的热量。

更具体地，该加热装置120包括加热器元件122和支撑部件124。该支撑件124可以是单一组件或者由多部件构成的总成，该部件包括波纹条126和环绕该波纹条126的周壁128。该支撑件124限定了弯曲的几何形状，并且在一实施形式中，该支撑件124沿该加热器元件122的长度方向的大部分与该加热器元件122的相对两侧相接。文中使用的“弯曲”应理解为一种以规则或不规则的方式多次改变方向的形状，从而增加从该加热器元件122到流动流体(如尾气流)的热传导。

加热器元件122的形状从一组形状中选择，该组形状包括螺旋状、弯曲状、线圈状、曲折状、之字状或其任何组合构成的形状。为了增加小型加热装置120所产生的总热量，加热元件122形成更多的匝数并且更紧凑。波纹带126可以形成更多的匝数并包括交替的脊线130和沟槽132，以形成弯曲的几何形状。波纹带126可以用任何方法钎焊、焊接或固定在交替的该脊线130和该沟槽132处的加热器元件122。由于减少了加热器元件122的相邻部分之间的空间，波纹带126可在相邻脊线130和沟槽132之间形成波浪表面134；并且/或者该脊线130和该沟槽132与相邻的加热器元件122的部分具有更宽的接触面积。因此，可以进一步增加波纹带126的总表面积，以增加该加热器元件122向周围尾气的热传导。

可选地，该加热装置120进一步包括一个或多个垫片136和端部件138。该垫片136可用于填充周壁128与波纹带126的最外层部分之间可能存在的任何间隙，以更紧密地将该波纹带126固定在周壁128内。该端部件138设置在该加热器元件122的端部，以便该波纹带126靠近该周壁中心的端部可固定到该端部件138上。

根据本申请的加热装置的优势在于，可在较小的区域内提供更多的能量，从而在不损害该加热器的耐久性的情况下，减少了该加热装置的尺寸和重量。该加热装置可在发动机冷启动和瞬态条件下提供相对较快的升温速度。

此外，本申请描述的支撑件可以用来阻挡所谓的“视界因子”，或者是阻挡可能相互辐射热量的部件之间的视线。该支架的设置满足可阻挡加热器元件之间或同一加热器元件的各部分之间的直接视线，以创建冷却的支撑件视线。这些配置应被解读为属于本申请的保护范围。

虽然文中描述的加热装置包括筒形加热器、管状加热器或电缆加热器，但是应当理解，在本申请的理论指导下，可以采用其他类型的加热器，均未脱离本申请的保护范围。

应该说明的是，本申请不限于文中描述和示例性目的说明的实施例。文中已经描述了多种修改方案，本领域技术人员可以获更多的变型方案。例如，尾气加热的应用仅仅是示例性的，因此，任何在流体管道中有流体流动的加热应用都应被解释为在本申请的披露范围之内。如上内容及进一步的修改，以及技术等同的任意替换都可以加入到本申请说明和附图中，均在本文披露内容和本申请的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种用于具有管道的流体流动系统的加热装置，其特征在于，该加热装置包括：

至少一个加热器元件，所述加热器元件包括电阻加热器元件、外护套和绝缘材料，所述外护套围绕电阻丝并且沿着穿过管道的螺旋路径延伸，所述外护套沿着螺旋路径围绕电阻丝，所述绝缘材料填充在电阻加热器元件和外护套之间的空间中；以及

位于该管道内部的支撑件，该支撑件用于限制该至少一个加热器元件在该管道内的移动；该支撑件包括带状体，所述带状体限定了与螺旋路径相符的弯曲的几何形状同时与外护套接触，并且所述支撑件沿所述外护套的长度方向的大部分与所述外护套的相对两侧相接；

其中，所述绝缘材料使电阻加热器元件与外护套电隔离，

其中，该支撑件提高了从该至少一个加热器元件至流经该管道的流体的热传导。

2.根据权利要求1所述的加热装置，其特征在于，该加热器元件被夹在该带状体的多个部分之间。

3.根据权利要求1所述的加热装置，其特征在于，该带状体为波纹带，该波纹带具有多个脊线和沟槽。

4.根据权利要求3所述的加热装置，其特征在于，该波纹带还具有多个凹痕。

5.根据权利要求4所述的加热装置，其特征在于，该凹痕位于该波纹带的脊线和沟槽中。

6.根据权利要求1所述的加热装置，其特征在于，该支撑件还包括围绕该带状体的外周壁。

7.根据权利要求6所述的加热装置，其特征在于，该外周壁限定了至少一个环形槽。

8.根据权利要求6所述的加热装置，其特征在于，该管道为限定了尾气通道的容器主体，并且该外周壁为该容器主体的一部分。

9.根据权利要求6所述的加热装置，其特征在于，该管道为限定了尾气通道的容器主体；并且该外周壁是独立于该容器主体的分立组件，并位于该容器主体内。

10.根据权利要求6所述的加热装置，其特征在于，该外周壁固定于该带状体。

11.根据权利要求1所述的加热装置，其特征在于，该带状体在多个接触点处固定至该加热器元件；该多个接触点沿该带状体的长度方向以一定间隔长度间隔设置；该间隔长度小于该加热器元件的外径的十倍。

12.根据权利要求11所述的加热装置，其特征在于，该加热器元件中位于相邻的两个接触点之间的部分的固有振动频率大于400HZ。

13.根据权利要求1所述的加热装置，其中该加热器元件使护套具有的最大功率密度约为84watts/in²。

14.根据权利要求1所述的加热装置，其特征在于，该支撑件包括多个支撑板，该多个支撑板之间的间隔小于或等于3英寸。

15.根据权利要求1所述的加热装置，其特征在于，接触点的数量满足该加热装置的温度变化幅度小于200℃。

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