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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrisch beheizte Katalysatorvorrichtung.
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2. Beschreibung des Standes der Technik
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In den letzten Jahren hat ein elektrisch beheizter Katalysator (EHC) Aufmerksamkeit als Abgasreinigungseinrichtung, die Abgas reinigt, das von einer Maschine eines Automobils oder dergleichen ausgestoßen wird, geweckt. Mit dem EHC ist es, selbst unter Bedingungen, bei denen eine Temperatur des Abgases niedrig ist und es schwierig ist, den Katalysator unmittelbar nach dem Start der Maschine zu aktivieren, möglich, den Katalysator durch elektrisches Beheizen zwangsweise zu aktivieren und die Reinigungseffizienz für das Abgas zu erhöhen.
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Bei einem in der offengelegten japanischen Patentanmeldung
JP 2013- 136 997 A beschriebenen EHC hat eine äußere Umfangs- bzw. Randfläche (eine Außenfläche) eines säulenförmigen Trägers mit einer Wabenstruktur, der ausgestaltet ist, um einen Katalysator wie Platin oder Palladium zu tragen, eine Flächenelektrode, die in axiale Richtung des Trägers verläuft. Kammförmige Leitungsdrähte sind mit der Flächenelektrode verbunden, so dass an diese ein Strom angelegt wird. Wenn sich der Strom auf der Flächenelektrode in axiale Richtung des Trägers ausdehnt, wird der gesamte Träger elektrisch beheizt. Dies aktiviert den vom Träger getragenen Katalysator, so dass unverbranntes HC (Kohlenwasserstoff), CO (Kohlenmonoxid) und dergleichen in dem durch den Katalysator strömenden Abgas durch eine katalytische Reaktion gereinigt werden.
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Die Erfinder haben das folgende Problem bei der elektrisch beheizten Katalysatorvorrichtung festgestellt. Die vorstehend beschriebene elektrisch beheizte Katalysatorvorrichtung hat das Problem, dass die Wiederholung (Heizzyklen) des Anhebens und Absenkens der Temperatur einen Bruch bzw. Schaden im Träger verursacht, so dass der Strom nur schwierig in einige der Leitungsdrähte fließen kann und sich der Strom in anderen Leitungsdrähten konzentriert, wodurch es zu einem Schmelzen kommt.
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Die Erfinder haben nach einer Ursache für das Auftreten von Brüchen im Träger gesucht.
7 zeigt einen Graph, der Temperaturveränderungen eines Trägers und einer Stromdiffusionsschicht bei einer elektrisch beheizten Katalysatorvorrichtung aus dem Stand der Technik zeigt. Eine horizontale Achse stellt die Zeit dar und eine vertikale Achse stellt die Temperatur dar. Wie in
7 gezeigt ist steigt, wenn die Temperatur ansteigt (zu einem AN-Zeitpunkt für das Anlegen des Stroms an den Träger), eine Temperaturdifferenz zwischen dem Träger und der direkt auf dem Träger ausgebildeten Stromdiffusionsschicht, so dass eine zwischen diesen verursachte thermische Belastung zunimmt. Dies liegt vermutlich daran, dass sich der Strom leicht in einem Mittelteil der Stromdiffusionsschicht konzentriert, so dass der Mittelteil der Stromdiffusionsschicht leicht beheizt wird. Es sei angemerkt, dass die Stromdiffusionsschicht zwischen dem Träger und einer Flächenelektrode angeordnet ist, um die von den Leitungsdrähten angelegte Elektrizität in axiale Richtung und Umfangsrichtung des Trägers auszudehnen bzw. zu verteilen. In der
JP 2013 -
136 997 A wurde auf die Stromdiffusionsschicht verzichtet.
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Eine elektrisch beheizte Katalysatorvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist zudem aus der US 2013 / 0 224 080 Al bekannt.
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KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung hat zur Aufgabe, eine elektrisch beheizte Katalysatorvorrichtung zu schaffen, bei der das Auftreten von Brüchen in einem Träger bei Heizzyklen verhindert werden kann. Diese Aufgabe wird gelöst mit der elektrisch beheizten Katalysatorvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand des Unteranspruchs.
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Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine elektrisch beheizte Katalysatorvorrichtung nach Anspruch 1, mit einem Träger, der ausgestaltet ist, um einen Katalysator zu tragen, einem Paar Stromdiffusionsschichten, die auf einer äußeren Randfläche des Trägers ausgebildet sind und einander gegenüberliegen, und Leitungselementen, die an jeder der Stromdiffusionsschichten angebracht sind. Der Träger wird über die Leitungselemente elektrisch beheizt. Jede der Stromdiffusionsschichten ist derart ausgebildet, dass sie in eine axiale Richtung des Trägers in eine Mehrzahl von Bereichen unterteilt ist.
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Bei der elektrisch beheizten Katalysatorvorrichtung gemäß dem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird, da die Stromdiffusionsschicht derart ausgebildet ist, dass sie in eine Mehrzahl von Bereiche in axiale Richtung des Trägers unterteilt ist, zu einem AN-Zeitpunkt für das Anlagen von Strom an den Träger, die Stromkonzentration auf einen Mittelteil der Stromdiffusionsschicht verteilt. Als Ergebnis wird die Temperaturdifferenz zwischen dem Träger und der Stromdiffusionsschicht zu einem AUS-Zeitpunkt für das Anlegen von Strom verringert, was zu einer Verringerung der zwischen diesen verursachten thermischen Belastung führt. Somit ist es möglich, das Auftreten von Brüchen im Träger aufgrund der Heizzyklen zu verhindern.
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Die elektrisch beheizte Katalysatorvorrichtung hat ferner einen Kontroller, der ausgestaltet ist, um den an den Träger angelegten Strom zu regeln, wobei jede der Stromdiffusionsschichten in zwei Bereiche in axiale Richtung des Trägers unterteilt ist. Das an den beiden Bereichen angebrachte Leitungselement ist elektrisch voneinander getrennt. Zwei elektrische Schaltungen sind ausgebildet und in jeder dieser beiden elektrischen Schaltungen sind zwei Bereiche der Stromdiffusionsschichten, die einander über den Träger diagonal gegenüberliegen, elektrisch miteinander verbunden. Der Kontroller kann alternierend einen Strom an die beiden elektrischen Schaltungen anlegen. Mit einer derartigen Konfiguration ist es möglich, das Auftreten von Brüchen im Träger aufgrund der Heizzyklen noch wirksamer zu unterdrücken.
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Der Träger und die Stromdiffusionsschichten können SiC enthalten.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, eine elektrisch beheizte Katalysatorvorrichtung zu schaffen, bei der das Auftreten von Brüchen aufgrund von Heizzyklen unterdrückt werden kann.
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Figurenliste
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Die Merkmale und Vorteile sowie die technische und wirtschaftliche Bedeutung beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmen auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, in der gleich Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen; hierbei zeigt:
- 1 eine perspektivische Ansicht einer elektrisch beheizten Katalysatorvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform;
- 2 eine perspektivische Ansicht, bei der ein äußerer Zylinder 60 in der Darstellung von 1 entfernt wurde;
- 3 eine Draufsicht von rechts oberhalb auf eine in 2 gezeigte Flächenelektrode 20;
- 4 eine Schnittansicht entlang einer Schnittebenenlinie IV-IV in 3;
- 5 eine Draufsicht auf eine elektrisch beheizte Katalysatorvorrichtung gemäß einer Abwandlung der ersten Ausführungsform;
- 6 eine perspektivische Ansicht einer elektrisch beheizten Katalysatorvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform; und
- 7 einen Graph, der Temperaturveränderungen eines Trägers und einer Stromdiffusionsschicht in einer elektrisch beheizten Katalysatorvorrichtung nach dem Stand der Technik veranschaulicht.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUGN VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Nachfolgend werden konkrete Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Bezug nehmend auf die Zeichnungen beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die nachfolgenden Ausführungsformen beschränkt. Darüber hinaus sind, mit Blick auf eine verständliche Beschreibung, die nachfolgende Beschreibung sowie die Zeichnungen in geeigneter Weise vereinfacht.
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(Erste Ausführungsform) Zunächst wird eine elektrisch beheizte Katalysatorvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform Bezug nehmend auf die 1 bis 4 beschrieben. 1 ist eine perspektivische Darstellung der elektrisch beheizten Katalysatorvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform. 2 ist eine perspektivische Ansicht, bei welcher ein in 1 dargestellter äußerer Zylinder 60 entfernt wurde. 3 ist eine Draufsicht auf eine Flächenelektrode 20 aus 2 von rechts oben (aus einer positiven Seite in x-Achsenrichtung). 4 ist eine Schnittansicht entlang einer Schnittebenenlinie IV-IV in 3.
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Ein rechtshändiges xyz-Koordinatensystem ist in den Figuren zur Erleichterung der Beschreibung der Positionsbeziehung der jeweiligen Bestandteile dargestellt. Die xyz-Koordinaten in jeder der Figuren sind gleich und eine y-Achsenrichtung entspricht einer Axialrichtung eines Trägers 10. Wenn die elektrisch beheizte Katalysatorvorrichtung 100 genutzt wird, ist eine positive Ausrichtung in eine z-Achsenrichtung bevorzugt entlang einer Ausrichtung in vertikale Richtung nach oben, wie in 4 dargestellt.
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Wie in 1 dargestellt ist, umfasst die elektrisch beheizte Katalysatorvorrichtung 100 den Träger 10 und den äußeren Zylinder 60. Wie in 2 dargestellt ist, umfasst die elektrisch beheizte Katalysatorvorrichtung 100 Stromdiffusionsschichten 11, Flächenelektroden 20, Leitungselemente 30 und Befestigungsschichten 40 an einer äußeren Umfangs- bzw. Randfläche (eine Außenfläche) des Trägers 10. Wie ferner in den 3 und 4 dargestellt ist, umfasst die elektrisch beheizte Katalysatorvorrichtung 100 eine Matte 50 zwischen dem Träger 10 und dem äußeren Zylinder 60. Das bedeutet, die elektrisch beheizte Katalysatorvorrichtung 100 umfasst den Träger 10, die Stromdiffusionsschichten 11, die Flächenelektroden 20, die Leitungselemente 30, die Befestigungsschichten 40, die Matte 50 und den äußeren Zylinder 60.
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In 1 ist die Matte 50 nicht dargestellt. Daneben zeigt 3 eine Positionsbeziehung zwischen dem Träger 10, der Stromdiffusionsschicht 11, dem Leitungselement 30, den Befestigungsschichten 40 und der Matte 50 bezüglich einer Flächenelektrode 20, wobei diese in gleicher Weise für die andere Flächenelektrode 20 gilt. Genauer gesagt haben, wie in den 2 und 4 dargestellt ist, zwei Flächenelektroden 20 eine spiegelsymmetrische Positionsbeziehung über eine Symmetrieebene parallel zu einer yz-Ebene.
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Die elektrisch beheizte Katalysatorvorrichtung 100 ist beispielsweise in einer Abgasleitung eines Automobils oder dergleichen angeordnet, um Abgas, das von einer Maschine ausgestoßen wird, zu reinigen. Bei der elektrisch beheizten Katalysatorvorrichtung 100 wird der Träger 10 elektrisch zwischen den Flächenelektroden 20, die paarweise angeordnet sind, beheizt, so dass der vom Träger 10 getragene Katalysator aktiviert wird. Hierdurch wird unverbranntes HC (Kohlenwasserstoff), CO (Kohlenmonoxid), NOx (Stickoxid) und dergleichen in dem durch den Träger 10 strömenden Abgas durch eine katalytische Reaktion gereinigt.
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Der Träger 10 ist ein poröses Element das einen Katalysator wie Platin oder Palladium trägt. Darüber hinaus wird der Träger 10 selbst elektrisch beheizt, so dass der Träger 10 vorzugsweise aus Keramik mit elektrischer Leitfähigkeit, genauer gesagt zum Beispiel aus SiC (Siliziumkarbid), besteht. Wie in 2 dargestellt ist, ist der Träger 10 derart ausgebildet, dass dessen äußere Gestalt einer im Wesentlichen kreisförmigen bzw. runden Säulenform entspricht, und seine Innenseite eine Wabenstruktur hat. Wie durch einen weißen Pfeil dargestellt ist, durchströmt Abgas das Innere des Trägers 10 in eine Axialrichtung (die y-Achsenrichtung) des Trägers 10.
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Die Stromdiffusionsschicht 11 ist eine Keramikschicht mit einer Dicke von etwa 50 bis 200 µm und ist an einer Außenfläche des Trägers 10 ausgebildet, um Elektrizität, die vom Leitungselement 30 zugeführt wird, in Axialrichtung und Umfangsrichtung des Trägers 10 auszudehnen bzw. zu verteilen. Hierbei besteht die Stromdiffusionsschicht 11 aus Keramik mit einem geringeren Widerstand als der Träger 10 und ist beispielsweise integral mit dem Träger 10 ausgebildet. Genauer gesagt ist es beispielsweise durch das Hinzufügen von Metall Si zu dem SiC (Siliziumkarbid), das den Träger 10 bildet, möglich, die Stromdiffusionsschicht 11 mit einem geringeren Widerstand als dem Träger 10 auszubilden. Natürlich hat die Stromdiffusionsschicht 11 einen höheren Widerstand als die Flächenelektrode 20.
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Wie zudem in 2 dargestellt ist, ist die Stromdiffusionsschicht 11 in einer unteren Schicht eines jeden der Leitungselemente 30, die paarweise vorgesehen sind, ausgebildet. Wie zudem in 3 gezeigt ist, hat jede der Stromdiffusionsschichten 11 eine insgesamt rechteckige Ebenenform und verläuft in Axialrichtung des Trägers (die y-Achsenrichtung). Die Stromdiffusionsschicht 11 ist derart ausgebildet, dass sie, verglichen mit der Flächenelektrode 20, in Axialrichtung und Umfangsrichtung des Trägers verläuft.
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Bei der elektrisch beheizten Katalysatorvorrichtung 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist die Stromdiffusionsschicht 11 ferner derart ausgestaltet, dass sie in einen ersten Bereich 11a und einen zweiten Bereich 11b in Axialrichtung des Trägers 10 unterteilt ist. Bei einer elektrisch beheizten Katalysatorvorrichtung nach dem Stand der Technik ist die Stromdiffusionsschicht 11 nicht unterteilt ausgebildet. Hierdurch konzentriert sich ein Strom in einen Mittelteil der Stromdiffusionsschicht 11, wenn die Temperatur zunimmt, und es kommt zu einer damit einhergehenden intensiven Aufheizung, was einen Anstieg der thermischen Belastung verursacht. Eine derartige Tendenz wird insbesondere augenfällig, wenn der Träger 10 und die Stromdiffusionsschicht 11 SiC enthalten, da der elektrische Widerstand mit der Zunahme der Temperatur abnimmt.
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Bei der elektrisch beheizten Katalysatorvorrichtung 100 gemäß der ersten Ausführungsform ist, im Gegensatz hierzu, die Stromdiffusionsschicht 11 in eine Mehrzahl von Regionen (die erste Region 11a und die zweite Region 11b) in Axialrichtung des Trägers 10 unterteilt ausgebildet. Zu einem AN-Zeitpunkt für das Anlegen von Strom an den Träger 10 (zum Zeitpunkt, wenn die Temperatur ansteigt), wird die Stromkonzentration im Mittelteil der Stromdiffusionsschicht auf zwei Bereiche, d.h. den ersten Bereich 11a und den zweiten Bereich 1 1b aufgeteilt, was es dementsprechend im Vergleich zum Stand der Technik möglich macht, ein intensives Aufheizen zu unterbinden. Als Ergebnis ist eine Temperaturdifferenz zwischen der äußeren Fläche des Trägers 10 und der Stromdiffusionsschicht 11 zum AN-Zeitpunkt für das Anlegen des Stromes im Vergleich zum Stand der Technik verringert, wodurch die thermische Belastung zwischen diesen verringert werden kann. Dementsprechend ist es mit der elektronisch beheizten Katalysatorvorrichtung der vorliegenden Ausführungsform möglich, das Auftreten von Brüchen bzw. Schäden im Träger aufgrund der Heizzyklen zu verhindern.
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Die Flächenelektroden 20 sind Paarelektroden, die an jeweiligen Stromdiffusionsschichten 11 ausgebildet sind und derart angeordnet sind, dass sie einander über den Träger 10 gegenüberliegen, wie in 2 dargestellt ist. Die Flächenelektrode 20 steht physikalisch mit der Stromdiffusionsschicht 11 in Kontakt und ist elektrisch mit der Stromdiffusionsschicht 11 verbunden. Wie ferner in 3 dargestellt ist, hat jede der Flächenelektroden 20 eine rechteckige Ebenenform und verläuft in Axialrichtung des Trägers (die y-Achsenrichtung). Wie vorstehend beschrieben wurde, ist die Stromdiffusionsschicht 11 derart ausgestaltet, dass sie in den ersten Bereich 11a und den zweiten Bereich 11b unterteilt ist. Aufgrund dessen ist auch die Flächenelektrode 20 in einen ersten Bereich 20a und einen zweiten Bereich 20b in Axialrichtung des Trägers 10 unterteilt ausgebildet. Es sei angemerkt, dass die Flächenelektrode 20 integral ausgebildet sein kann.
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Die Flächenelektrode 20 ist eine aufgesprühte Beschichtung mit einer Dicke von etwa 50 bis 200 µm, die beispielsweise durch Plasmabeschichtung aufgebracht wird. Die Flächenelektrode 20 ist wie das Leitungselement 30 elektrisch leitfähig, so dass die aufgesprühte Beschichtung eine metallbasierte Beschichtung sein sollte. Um die Verwendung unter hohen Temperaturen von 800°C oder mehr zu gewährleisten ist das Metall, das eine Matrix der aufgesprühten Beschichtung bildet, vorzugsweise eine NiCr-Legierung (mit einem Cr-Anteil von 20 bis 60 Massen-%) oder eine MCrAlY-Legierung (in welcher M zumindest ein Element ausgewählt aus Fe, Co und Ni ist), die jeweils einen ausgezeichneten Oxidationswiderstand bei hohen Temperaturen haben. Die NiCr-Legierung und die MCrAlY-Legierung können andere Legierungselemente umfassen.
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Die Leitungselemente 30 sind an den jeweiligen Flächenelektroden 20, wie in 3 dargestellt, angeordnet. Wie in 3 dargestellt ist, umfasst das Leitungselement 30 kammförmige Leitungsdrähten 31, die derart an der Flächenelektrode 20 angeordnet sind, dass sie in Trägerumfangsrichtung verlaufen, sowie einen Führungsabschnitt 32, der mit einer externen Elektrode 81 (siehe 4) verbunden ist. Beispielsweise ist das Leitungselement 30 eine Metallbahn mit einer allgemeinen Dicke von etwa 0,1 mm. Eine Breite der kammförmigen Leitungsdrähte 31 ist beispielsweise etwa 1 mm. Um die Verwendung bei hohen Temperaturen von 800°C oder mehr zu gewährleisten, besteht das Leitungselement 30 vorzugsweise aus einer wärmebeständigen (oxidationswiderstandsfähigen) Legierung, beispielsweise einer Edelstahllegierung, einer Legierung der Ni-Gruppe oder einer Legierung der Co-Gruppe. Bezüglich der Kosten und Leistung sowie der elektrischen Leitfähigkeit, der Wärmebeständigkeit, dem Oxidationswiderstand bei hohen Temperaturen sowie dem Korrosionswiderstand in einer Abgasatmosphäre wird die Edelstahllegierung bevorzugt.
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Wie in 3 dargestellt ist, ist eine Mehrzahl von kammförmigen Leitungsdrähten 31 derart über den im Wesentlichen gesamten Bildungsbereich der Flächenelektrode 20 ausgebildet, nämlich den ersten Bereich 20a und den zweiten Bereich 20b, dass sie in Trägerumfangsrichtung verläuft, und ist ferner Seite an Seite in einem im Wesentlichen regelmäßigen Intervall entlang der Axialrichtung des Trägers (die y-Achsenrichtung) angeordnet. In einem axialen Mittelteil des Trägers 10 sind die elektrische Diffusionsschicht 11 und die Flächenelektrode 20 nicht ausgebildet, so dass auch keine kammförmigen Leitungsdrähte 31 vorgesehen sind. Darüber hinaus sind alle kammförmigen Leitungsdrähte 31 mit dem Führungsabschnitt 32 an einer positiven Seite in z-Achsenrichtung im Bildungsbereich der Flächenelektrode 20 verbunden. In dem in 3 gezeigten Beispiel sind jeweils fünf kammförmige Leitungsdrähte 31 für die erste Region 20a sowie die zweite Region 20b der Flächenelektrode 20, das bedeutet, insgesamt zehn kammförmige Leitungsdrähte 31, vorgesehen. Die kammförmigen Leitungsdrähte 31 sind derart durch die Befestigungsschichten 40 an der Flächenelektrode 20 angebracht, dass sie elektrisch mit dieser verbunden sind. Natürlich ist die Zahl der kammförmigen Leitungsdrähte 31 nicht auf zehn beschränkt sondern kann in geeigneter Weise bestimmt werden.
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Der Führungsabschnitt 32 ist nicht an der Flächenelektrode 20 befestigt sondern wird aus dem äußeren Zylinder 60 nach außen gezogen. Der Führungsabschnitt 32 umfasst eine Mehrzahl von Biegeabschnitten, so dass er dehnbar bzw. verlängerbar ausgebildet ist. Das bedeutet, der Führungsabschnitt 32 ist balgförmig ausgebildet. In einem in den Figuren gezeigten Beispiel, siehe 4, hat der Führungsabschnitt 32 beispielsweise drei Biegeabschnitte (zwei Berge und ein Tal, gesehen von der positiven Seite in z-Achsenrichtung), und stellt eine M-förmige Schnittansicht dar. Der Führungsabschnitt 32 kann zwei Biegeabschnitte (einen Berg und ein Tal) haben, um einen N-förmigen Schnitt darzustellen. Darüber hinaus kann der Führungsabschnitt 32 vier oder mehr Biegeabschnitte haben.
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Der balgförmige Führungsabschnitt 32 ist zum Zeitpunkt der Herstellung in einem zusammengefalteten Zustand. Dementsprechend gelangt der Führungsabschnitt 32 des Leitungselements 30 nicht mit dem äußeren Zylinder 60 in Wechselwirkung, wodurch es möglich ist, den Träger 10 mit dem Leitungselement 30 in den äußeren Zylinder 60 einzupressen. Nachdem der Träger 10 in den äußeren Zylinder 60 eingepresst ist, kann der Führungsabschnitt 32 leicht aus dem äußeren Zylinder 60 herausgezogen werden. Durch die Verwendung eines gehärteten Materials (mit einer Längendehnung von 15% oder mehr) als Leitungselement 30, das durch Härten einer kaltgewalzten dünnen Platte erhalten wird, kann der Führungsabschnitt 32 leicht falten- bzw. balgförmig gefaltet werden.
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Wie ferner in 4 dargestellt ist, ist das Leitungselement 30 (der Führungsabschnitt 32) elektrisch mit einer Batterie BT1 über die externe Elektrode 81 und einen externen Leitungsdraht 82 verbunden. Mit einer derartigen Konfiguration wird Strom an den Träger 10 angelegt, so dass der Träger 10 elektrisch beheizt wird. Die Batterie BT1 ist dabei mit einem Schalter SW1 in Reihe geschalten. Der Steuerabschnitt 83 steuert das AN/AUS des Schalters SW1 durch ein Steuersignal cnt1. Das bedeutet, der Steuerabschnitt 83 steuert das AN/AUS für das Anlegen von Strom an den Träger 10. Eine der paarweisen Flächenelektroden 20 ist eine positive Elektrode und die andere ist eine negative Elektrode, wobei jede der Flächenelektroden 20 eine positive oder eine negative Elektrode sein kann. Das bedeutet, die Orientierung des in den Träger 10 strömenden Stromes ist nicht begrenzt.
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Die Befestigungsschicht 40 ist eine aufgesprühte Beschichtung in Knopfform mit einer Dicke von etwa 300 bis 500 µm und auf dem kammförmigen Leitungsdraht 31 ausgebildet. Die Befestigungsschicht 40 kann derart ausgebildet werden, dass das Leitungselement 30 auf der Flächenelektrode 20 angeordnet wird, eine Maskierschablone darauf aufgebracht wird und darauf dann die Plasmabeschichtung ausgeführt wird. Eine Zusammensetzung oder dergleichen der aufgesprühten Beschichtung kann ähnlich zur vorstehend beschriebenen Flächenelektrode 20 eingestellt werden.
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Wie vorstehend beschrieben ist, sind die kammförmigen Leitungsdrähte 31 durch die Befestigungsschichten 40 an der Flächenelektrode 20 angebracht und elektrisch mit dieser verbunden. In dem Beispiel von 3 ist jeder der kammförmigen Leitungsdrähte 31 durch eine einzelne Befestigungsschicht 40 mit der Flächenelektrode 20 verbunden. Mit einem derartigen Aufbau ist es möglich, die thermische Beanspruchung (thermische Belastung) basierend auf einer Differenz des Längenausdehnungskoeffizienten zwischen dem Leitungselement 30 aus Metall und dem Träger 10 aus Keramik zu entspannen. Das bedeutet, individuelle Befestigungsschichten 40 sind so klein wie möglich ausgebildet und in vereinzelter Weise angeordnet. Hierdurch wird die thermische Beanspruchung (thermische Belastung) entspannt. Es sei angemerkt, dass jeder der kammförmigen Leitungsdrähte 31 durch zwei oder mehr Befestigungsschichten 40 befestigt werden kann. In diesem Fall können die Zahl der Befestigungsschichten 40 und ein Abstand zwischen diesen in geeigneter Weise bestimmt werden.
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Die Matte (ein Halteelement) 50 ist ein wärmeisolierendes Element das eine gewisse Flexibilität aufweist. Wie durch eine gestrichelte Linie in 3 dargestellt ist, ist die Matte 50 um die gesamte äußere Randfläche des Trägers 10 gewunden, und füllt den Raum zwischen dem Träger 10 und dem äußeren Zylinder 60 aus, wie in 4 dargestellt ist. Die Matte 50 ermöglicht es, den Träger 10 am äußeren Zylinder 60 befestigen und von diesem halten zu lassen, und dichtet ferner den Träger 10 ab, so dass kein Abgas aus dem äußeren Zylinder 60 nach außen gelangt.
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Wie in den 3 und 4 dargestellt ist, hat die Matte 50 zwei Öffnungen 51 um die Führungsabschnitte 32 des Leitungselements 30 aus dem äußeren Zylinder 60 nach außen zu führen. Wie in 3 dargestellt ist, ist die Öffnung 51 in einem axialen Mittelteil des Trägers 10 rechteckig ausgebildet, und entspricht der Position des Leitungselements 30. In einem in 4 dargestellten Querschnitt sind die beiden Öffnungen 51 spiegelsymmetrisch bezüglich einer Symmetrieebene parallel zur yz-Ebene angeordnet. Um die Abdichtungseigenschaften sicherzustellen, ist bevorzugt, dass eine Öffnungsbreite w der Öffnung 51 in y-Achsenrichtung, die in 3 dargestellt ist, 30 mm oder mehr ist. Es sei angemerkt, dass in dem Beispiel der Figur eine Form der Öffnung 51 rechteckig ist, diese jedoch hierauf nicht beschränkt ist. Beispielsweise kann die Form der Öffnung 51 rund oder elliptisch sein.
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Der äußere Zylinder 60 ist ein Gehäuse zum Aufnehmen des Trägers 10 und ist ein Rohr mit einem Durchmesser, der um eine Größeneinheit größer ist als der des säulenförmigen Trägers 10. Wie in 1 dargestellt ist, deckt der äußere Zylinder 60 den gesamten Träger 10 über die Matte 50 ab. Hierbei ist bevorzugt, dass der äußere Zylinder 60 aus einem Metall wie beispielsweise einer Edelstahllegierung besteht.
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Wie in den 1 und 4 dargestellt ist, hat eine Seitenfläche des äußeren Zylinders 60 Öffnungen 61, um die Führungsabschnitte 32 der Leitungselemente 30 aus dem äußeren Zylinder 30 heraus zu führen. Dementsprechend sind, wie in 1 dargestellt ist, die Öffnungen 61 an zwei Stellen im axialen Mittelteil des äußeren Zylinders 60 angeordnet, die den Stellen der Führungsabschnitte 32 entsprechen. Darüber hinaus sind, in einer Querschnittsansicht von 4, die beiden Öffnungen 31 an einer leicht oberhalb liegenden Seite relativ zu einer Mitte (einer positiven Seite in z-Achsenrichtung) spiegelsymmetrisch bezüglich einer Symmetrieebene parallel zur yz-Ebene angeordnet. Es sei angemerkt, dass in dem Beispiel der Figur eine Form der Öffnung 61 eine runde Form ist, hierauf jedoch nicht beschränkt ist. Beispielsweise kann die Form der Öffnung 61 elliptisch oder rechteckig sein.
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Wie vorstehend beschrieben ist, ist bei der elektrisch beheizten Katalysatorvorrichtung 100 gemäß der ersten Ausführungsform die Stromdiffusionsschicht 11 derart ausgebildet, dass sie in eine Mehrzahl von Bereiche (den ersten Bereich 11a und den zweiten Bereich 11b) in Axialrichtung des Trägers 10 unterteilt ist. Aufgrund dessen wird, bei einem AN-Zeitpunkt für das Anlegen von Strom an den Träger 10 (zu dem Zeitpunkt, wenn die Temperatur ansteigt) die Konzentration von Strom im Mittelteil der Stromdiffusionsschicht auf die beiden Bereiche, d.h. den ersten Bereich 11a und den zweiten Bereich 11b, verteilt, wodurch ein intensives Aufheizen wie beim Stand der Technik vermieden werden kann. Als Ergebnis wird, im Vergleich zum Stand der Technik, eine Temperaturdifferenz zwischen der Außenfläche des Trägers 10 und der Stromdiffusionsschicht 11 zu einem AN-Zeitpunkt für das Anlegen von Strom verringert, wodurch es möglich ist, die thermische Belastung zwischen diesen zu verringern. Dementsprechend ist es mit der elektrisch beheizten Katalysatorvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform möglich, das Auftreten von Brüchen im Träger aufgrund der Heizzyklen zu verhindern.
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Nachfolgend wird ein Herstellungsverfahren für die elektrisch beheizte Katalysatorvorrichtung 100 gemäß der ersten Ausführungsform Bezug nehmend auf die 2 und 4 beschrieben. Zunächst wird, wie in 2 dargestellt ist, die Flächenelektrode 20 (der erste Beriech 20a und der zweite Bereich 20b) beispielsweise durch Plasmabeschichten, auf der Stromdiffusionsschicht 11 ausgebildet, die integral mit dem Träger 10 ausgebildet ist und in den ersten Bereich 11a und den zweiten Bereich 11b unterteilt ist. Anschließend wird das Leitungselement 30 mit dem Führungsabschnitt 32, der balgförmig ausgestaltet ist, an der Flächenelektrode 20 angeordnet und die Befestigungsschichten 40 werden durch Plasmabeschichtung unter Verwendung einer Maskierschablone auf dem Leitungselement 30 ausgebildet. Hierdurch wird das Leitungselement 30 an der Flächenelektrode 20 befestigt.
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Anschließend wird, wie in 4 dargestellt ist, die Matte 50 mit der Öffnung 51, die der Stelle des Leitungselements 30 entspricht, auf die äußere Randfläche bzw. Außenfläche des Katalysators 10 gewunden, auf welcher die Flächenelektrode 20, das Leitungselement 30 und die Befestigungsschicht 40 ausgebildet sind. In diesem Zustand ist der Führungsabschnitt 32 nach wie vor balgförmig gefaltet.
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Dann wird der Träger 10, um welchen die Matte 50 gewunden ist, in den äußeren Zylinder 60 gepresst. Hiernach wird der Führungsabschnitt 32, der balgförmig gefaltet war, gestreckt, um den Führungsabschnitt 32 durch die Öffnung 61 aus dem äußeren Zylinder 60 herauszuziehen. Schließlich wird der Führungsabschnitt 32 an der externen Elektrode 81 verschraubt, verschweißt oder dergleichen. Entsprechend den vorstehend genannten Schritten kann eine elektrisch beheizte Katalysatorvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform, die in 4 dargestellt ist, erhalten werden.
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(Abwandlung der ersten Ausführungsform) Nachfolgend wird eine elektrisch beheizte Katalysatorvorrichtung gemäß einer Abwandlung der ersten Ausführungsform Bezug nehmend auf 5 beschrieben. 5 ist eine Draufsicht auf die elektrisch beheizte Katalysatorvorrichtung gemäß der Abwandlung der ersten Ausführungsform. 5 entspricht 3. Wie in 5 dargestellt ist, ist bei der elektrisch beheizten Katalysatorvorrichtung gemäß der Abwandlung der ersten Ausführungsform eine Stromdiffusionsschicht 11 in vier Bereiche unterteilt, d.h. einen ersten Bereich 11a, einen zweiten Bereich 11b, einen dritten Bereich 11c und einen vierten Bereich 11d. Ein erster Bereich 20a, ein zweiter Bereich 20b, ein dritter Bereich 20c und ein vierter Bereich 20d der Flächenelektrode 20 sind jeweils am ersten Bereich 11a, am zweiten Bereich 1 1b, am dritten Bereich 11c und am vierten Bereich 11d der Stromdiffusionsschicht 11 ausgebildet. Zudem sind in jedem der Bereiche der Flächenelektrode 20 zwei kammförmige Leitungsdrähte 31 angeordnet.
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Bei der elektrisch beheizten Katalysatorvorrichtung gemäß der Abwandlung der ersten Ausführungsform ist die Stromdiffusionsschicht 11 in vier Bereiche (den ersten Bereich 11a, den zweiten Bereich 1 1b, den dritten Bereich 11c und den vierten Bereich 11d) in Axialrichtung des Trägers 10 unterteilt. Aufgrund dessen wird, zum AN-Zeitpunkt für das Anlegen von Strom an den Träger 10 (dem Zeitpunkt zu dem die Temperatur steigt) die Stromkonzentration in einem Mittelteil der Stromdiffusionsschicht auf vier Bereich, d.h. den ersten Bereich 11a, den zweiten Bereich 11b, den dritten Bereich 11c und den vierten Bereich 11d verteilt, wodurch es möglich ist, die intensive Aufheizung im Vergleich zur ersten Ausführungsform weiter zu unterbinden. Als Ergebnis ist eine Temperaturdifferenz zwischen einer äußeren Fläche des Trägers 10 und der Stromdiffusionsschicht 11 zum AN-Zeitpunkt für das Anlegen von Strom weiter verringert, wodurch es möglich ist, die thermische Belastung, die zwischen diesen verursacht wird, weiter zu verringern. Dementsprechend ist es möglich, das Auftreten von Brüchen im Träger aufgrund der Heizzyklen weiter zu unterbinden.
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(Zweite Ausführungsform) Nachfolgend wird eine elektrisch beheizte Katalysatorvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform Bezug nehmend auf 6 beschrieben. 6 ist eine perspektivische Ansicht der elektrisch beheizten Katalysatorvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform. 6 entspricht 2. Wie in 6 dargestellt ist, sind bei der elektrisch beheizten Katalysatorvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform erste Leitungselemente 30a an jeweiligen ersten Bereichen 20a der Flächenelektroden 20 ausgebildet, und zweite Leitungselemente 30b sind an jeweiligen zweiten Bereichen 20b der Flächenelektroden 20 ausgebildet. Das bedeutet, die Leitungselemente 30 sind physikalisch und elektrisch in das erste Leitungselement 30a und das zweite Leitungselement 30b unterteilt. Die ersten Leitungselemente 30a sind hierbei einander über den Träger 10 gegenüberliegend angeordnet. Die zweiten Leitungselemente 30b sind einander über den Träger 10 gegenüberliegend angeordnet.
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Wie in 6 dargestellt ist, ist ein Führungsabschnitt 32a des ersten Leitungselements 30a an einer oberen Seite der Figur (eine negative Seite in x-Achsenrichtung) mit einem Führungsabschnitt 32b des zweiten Leitungselements 30b an einer unteren Seite der Figur (eine positive Seite in x-Achsenrichtung) über eine Batterie BT1 und einen Schalter SW1 verbunden. Durch eine derartige elektrische Schaltung kann der Träger 10 elektrisch beheizt werden. Eine Richtung eines in die Schaltung fließenden Stromes wird durch einen gestrichelten Pfeil in 6 dargestellt.
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Daneben ist ein Führungsabschnitt 32b des zweiten Leitungselements 30b an der oberen Seite der Figur (die negative Seite in x-Achsenrichtung) mit einem Führungsabschnitt 32a des ersten Leitungselements 30a an der unteren Seite der Figur (die positive Seite in x-Achsenrichtung) über eine Batterie BT2 und einen Schalter SW2 verbunden. Durch eine derartige elektrische Schaltung kann der Träger 10 elektrisch beheizt werden. Eine Richtung eines in die Schaltung fließenden Stromes wird durch einen durchgezogenen Pfeil in 6 dargestellt.
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Somit sind, bei der elektrisch beheizten Katalysatorvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform, der erste Bereich 11a und der zweite Bereich 11b der jeweiligen Stromdiffusionsschichten 11, die einander diagonal über den Träger 10 gegenüberliegen, elektrisch miteinander verbunden. Hierdurch werden zwei elektrische Schaltungen ausgebildet. Das bedeutet, paarweise Stromdiffusionsschichten einer elektrischen Schaltung sind alternierend in axiale Richtung des Trägers 10 angeordnet (die paarweisen Stromdiffusionsschichten sind zueinander in axiale Richtung versetzt). Ein Steuerabschnitt 83 steuert das AN/AUS des Schalters SW1 durch ein Steuersignal cnt1 und steuert ferner das AN/AUS des Schalters SW2 durch ein Steuersignal cnt2. Der Steuerteil 83 steuert das AN/AUS des Schalters SW1 und des Schalters SW2 um alternierend einen Strom an die beiden elektrischen Schaltungen anzulegen. Beispielsweise schaltet der Steuerteil 83 das AN/AUS des Schalters SW1 und des Schalters SW2 alle paar Sekunden. Es sei angemerkt, dass 6 einen Zustand zeigt, in welchem der Schalter SW1 ausgeschaltet und der Schalter SW2 angeschaltet ist. Da der übrige Aufbau ähnlich zur ersten Ausführungsform ist, wird auf eine Beschreibung hiervon verzichtet.
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Bei der elektrisch beheizten Katalysatorvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform ist die Stromdiffusionsschicht 11 derart ausgestaltet, dass sie ähnlich zur elektrisch beheizten Katalysatorvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform in den ersten Bereich 11a und den zweiten Bereich 11b unterteilt ist. Ferner werden die beiden elektrischen Schaltungen alternierend betrieben, um die Wärmeerzeugung und Wärmeverteilung in einer elektrischen Schaltung zu wiederholen. Das bedeutet, die Wärmeerzeugung in der elektrischen Schaltung wird nicht fortgesetzt. Dementsprechend kann, zu einem AN-Zeitpunkt für das Anlegen von Strom an den Träger 10 (der Zeitpunkt zu dem die Temperatur ansteigt), die Konzentration von Strom an einem Mittelteil der Stromdiffusionsschicht, und die damit einhergehende intensive Aufheizung, stärker als bei der ersten Ausführungsform unterbunden werden. Als Ergebnis ist, im Vergleich zum Stand der Technik, eine Temperaturdifferenz zwischen der Außenfläche des Trägers 10 und der Stromdiffusionsschicht 11 zum AN-Zeitpunkt für das Anlegen von Strom verringert, wodurch es möglich ist, die zwischen diesen verursachte thermische Belastung zu verringern. Dementsprechend ist es mit der elektrisch beheizten Katalysatorvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform möglich, das Auftreten von Brüchen im Träger aufgrund der Heizzyklen noch effektiver zu unterbinden.
