DE102019210368A1 - Elektrische Stromdurchführung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Stromdurchführung (1, 8, 10) für einen elektrisch beheizbaren Katalysator, wobei der Katalysator zumindest einen elektrischen Leiter in seinem Inneren aufweist, welcher mittels der Stromdurchführung (1, 8, 10) elektrisch kontaktierbar ist, mit einem zentralen elektrisch leitfähigen Element (2), welches aus dem Inneren des Katalysator durch dessen äußere Gehäusewandung geführt ist, mit einer elektrischen Isolationsschicht (3), welche das elektrisch leitfähigen Element (2) an seiner radialen Außenfläche umgibt, und mit einer metallischen Hülse (4), in welcher das elektrisch leitfähige Element (2) und die elektrische Isolationsschicht (3) aufgenommen ist, wobei an der Stromdurchführung (2, 8, 10) oder direkt benachbart zur Stromdurchführung (2, 8, 10) eine Vorrichtung zur Verringerung der Wärmeleitung vom Inneren des Katalysators entlang der Stromdurchführung (2, 8, 10) zu einer außerhalb des Katalysators angeordneten Kontaktfläche angeordnet ist.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft eine Stromdurchführung für einen elektrisch beheizbaren Katalysator, wobei der Katalysator zumindest einen elektrischen Leiter in seinem Inneren aufweist, welcher mittels der Stromdurchführung elektrisch kontaktierbar ist, mit einem zentralen elektrisch leitfähigen Element, welches aus dem Inneren des Katalysator durch dessen äußere Gehäusewandung geführt ist, mit einer elektrischen Isolationsschicht, welche das elektrisch leitfähigen Element an seiner radialen Außenfläche umgibt, und mit einer metallischen Hülse, in welcher das elektrisch leitfähige Element und die elektrische Isolationsschicht aufgenommen ist.
  • Stand der Technik
  • Im Stand der Technik sind elektrisch beheizbare Katalysatoren bekannt. Diese weisen in der Regel einen stromdurchflossenen Leiter auf, der über eine elektrische Kontaktierung mit einer Spannungsquelle verbunden ist. Da die Katalysatoren nach außen hin gasdicht ausgeführt sind gibt es spezielle elektrische Durchführungen, die durch den Außenmantel des Katalysators geführt werden und mit dem Heizleiter im Inneren kontaktiert werden.
  • Die elektrische Durchführung besteht dabei regelmäßig aus einem elektrischen Leiter, der in einem elektrisch nichtleitenden Medium, beispielsweise einer Keramik, eingebettet ist. Der nicht leitende Werkstoff kann wiederrum von einer Metallhülse umgeben sein, die mittels einer Fügetechnik dauerhaft und resistent gegen mechanische Belastungen mit dem metallischen Mantel des Katalysators verbunden werden kann. Die elektrische Durchführung, wie sie im Stand der Technik bekannt ist, weist somit regelmäßig einen zentralen Stromleiter, beispielsweise einen Bolzen, eine keramische Isolation und eine metallische Außenhülse auf.
  • Nachteilig an den im Stand der Technik bekannten Stromdurchführungen ist insbesondere, dass aufgrund der stoffschlüssigen Verbindung zwischen dem stromführenden Bolzen und den elektrisch zu kontaktierenden Bauelementen im Inneren des Katalysators, eine hohe thermische Belastung am äußeren Bereich der Stromdurchführung auftritt. Die thermische Belastung entsteht entweder durch Konvektion der Abgasenergie auf die Stromdurchführung oder durch das Beheizen des Heizleiters selbst, der in direkter stoffschlüssiger Verbindung mit der Stromdurchführung steht. Bei zu hohen thermischen Belastungen kann es insbesondere an dem Kontaktbereich der Stromdurchführung im äußeren Bereich zu Beschädigungen der Isolation der elektrischen Zuleitung oder dem Verbindungsmittel zwischen der Zuleitung und der Stromdurchführung kommen.
  • Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, Vorteile
  • Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Stromdurchführung für einen elektrisch beheizbaren Katalysator zu schaffen, welche eine thermische Entkopplung des äußeren Kontaktierungsbereiches und dem vom Abgas umströmten inneren Bereich des Katalysators aufweist.
  • Die Aufgabe hinsichtlich der Stromdurchführung wird durch eine Stromdurchführung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft eine Stromdurchführung für einen elektrisch beheizbaren Katalysator, wobei der Katalysator zumindest einen elektrischen Leiter in seinem Inneren aufweist, welcher mittels der Stromdurchführung elektrisch kontaktierbar ist, mit einem zentralen elektrisch leitfähigen Element, welches aus dem Inneren des Katalysator durch dessen äußere Gehäusewandung geführt ist, mit einer elektrischen Isolationsschicht, welche das elektrisch leitfähigen Element an seiner radialen Außenfläche umgibt, und mit einer metallischen Hülse, in welcher das elektrisch leitfähige Element und die elektrische Isolationsschicht aufgenommen ist, wobei an der Stromdurchführung oder direkt benachbart zur Stromdurchführung eine Vorrichtung zur Verringerung der Wärmeleitung vom Inneren des Katalysators entlang der Stromdurchführung zu einer außerhalb des Katalysators angeordneten Kontaktfläche angeordnet ist.
  • Der in den Katalysator hineinragende Bereich der Stromdurchführung wird allgemein auch als Hot-End bezeichnet, da einerseits das durch den Katalysator strömende Abgas zu einem hohen Temperaturniveau beitragen kann, und andererseits auch durch die Bestromung des elektrischen Leiters selbst im Inneren des Katalysators ein hohes Temperaturniveau erzeugt werden kann.
  • Das außerhalbe des Katalysators angeordnete Ende der Stromdurchführung wird auch als Cold-End bezeichnet, da hier im Regelfall deutlich niedrigere Temperaturen herrschen als innerhalb des Katalysators.
  • Insbesondere der Cold-End Bereich, an welchem beispielswiese die Verbindung mit einer Spannungsquelle erzeugt wird, ist temperatursensitiv. Das liegt einmal in den Materialien der gewöhnlich verwendeten Stromleiter, beispielsweise dem isolationsmaterial von Kabeln, begründet und außerdem in der jeweils gewählten Verbindungsmethode, beispielsweise Löten, Crimpen oder Federklemmen, zwischen dem Stromleiter und der Kontaktfläche der Stromdurchführung.
  • Eine Vorrichtung zur Verminderung der Wärmeleitung von dem Hot-End zum außen liegen Cold-End dient hier insbesondere die Wärmeenergie im Inneren des Katalysators zu halten oder zumindest die nach außen entlang der Stromdurchführung transportierte Wärmemenge möglichst gering zu halten.
  • Auch ist es zweckmäßig, wenn das elektrisch leitfähige Element durch einen Bolzen gebildet ist. Der Bolzen kann bevorzugt einen runden Querschnitt aufweisen. Die Isolationsschicht und die Metallhülse kann konzentrisch zum Bolzen angeordnet sein.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Vorrichtung durch zumindest einen Teilabschnitt verringerter thermischer Leitfähigkeit am elektrisch leitfähigen Element gebildet ist. Die zumindest an einem Teilabschnitt reduzierte Wärmeleitfähigkeit ist vorteilhaft, um einen möglichst großen Teil der am Hot-End in die Stromdurchführung eingebrachten Wärmemenge am Transport zum Cold-End zu hindern. Hierzu kann beispielsweise eine thermisch isolierendes Material gewählt werden, welches insbesondere eine geringere thermische Leitfähigkeit aufweist als das elektrisch leitfähige Element.
  • Auch ist es vorteilhaft, wenn die Vorrichtung durch einen Hitzeschild gebildet ist. Ein Hitzeschild dient insbesondere der Abschirmung gegenüber Wärmekonvektion.
  • Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass der Hitzeschild an der Außenseite der Gehäusewandung zur Abschirmung der Kontaktfläche angeordnet ist. Ein solcher Hitzeschild soll insbesondere die Wärmestrahlung von der Stromdurchführung selbst aber auch von dem Gehäuse des Katalysators in Richtung des Cold-Ends unterbinden. Der Hitzeschild kann beispielsweise nach Art einer Rosette um die Stromdurchführung angeordnet sein.
  • Auch ist es zu bevorzugen, wenn der Hitzeschild an der Innenseite der Gehäusewandung angeordnet ist. Ein Hitzeschild an der Innenseite des Gehäusewandung dient insbesondere dem Zweck den Wärmeübertrag von dem strömenden Abgas auf die Stromdurchführung und die diese umgebenden Gehäusebereiche zu verringern. Auch ein innerhalb des Katalysators angeordneter Hitzeschild kann nach Art einer Rosette um die Stromdurchführung angeordnet sein.
  • Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn die Vorrichtung durch eine zusätzliche thermische Masse gebildet ist, welche an die Stromdurchführung thermisch angebunden ist. Eine zusätzliche thermische Masse ist durch einen Körper größerer Masse gebildet und dient zur Aufnahme und Zwischenspeicherung der Wärmenergie.
  • Auch ist es vorteilhaft, wenn die Vorrichtung durch eine einzelne oder mehrere Kühlrippen gebildet ist, welche thermisch an die Stromdurchführung angebunden ist/sind. Kühlrippen dienen insbesondere dem Wärmeabtransport von der Stromdurchführung hin zur Umgebung. Die Kühlrippen sind dabei bevorzugt an dem außerhalb des Gehäuses des Katalysators befindlichen Abschnitt der Stromdurchführung angeordnet.
  • Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Vorrichtung durch eine elektrisch leitfähiges Element gebildet ist, das zumindest abschnittsweise einen stark verringerten Durchmesser aufweist.
  • Hier kann bevorzugt abschnittsweise ein Werkstoff gewählt werden, welcher beispielsweise einen niedrigeren spezifischen Widerstand aufweist. Durch den geringeren Durchmesser wird die Wärmeleitung reduziert, wobei aufgrund der Anpassung des spezifischen Widerstands die elektrische Leitfähigkeit in Summe nicht beeinträchtigt wird.
  • Auch ist es zweckmäßig, wenn die Vorrichtung durch ein verlängertes elektrisch leitfähiges Element gebildet ist. Insbesondere durch die Verlängerung des elektrisch leitfähigen Elements über das Maß, welches zwingend benötigt ist, hinaus ist vorteilhaft, da so die Strecke auf der Wärme von der Stromdurchführung wieder an die Umgebung abgegeben werden kann vergrößert wird. Somit kann das Temperaturniveau am Cold-End auch verringert werden. Die Verlängerung bezeichnet insbesondere eine längere Ausführung als standardmäßig vorgesehen werden würde.
  • Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn die Vorrichtung durch ein Segment der Stromdurchführung gebildet ist, in welchem eine Phasenveränderung eines Stoffes vollzogen wird, um thermische Energie zu wandeln. Ein Segment in welchem eine Phasenveränderung eines Stoffes, beispielsweise das Verdunsten von Wasser, durchgeführt wird, ist vorteilhaft, weil so ebenfalls Wärmeenergie entzogen wird und somit das Temperaturniveau im Bereich der Stromdurchführung gesenkt wird.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen und in der nachfolgenden Figurenbeschreibung beschrieben.
  • Figurenliste
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
    • 1 eine Ansicht einer Stromdurchführung mit einem Hitzeschild,
    • 2 eine Ansicht einer Stromdurchführung mit einem abschnittsweisen verkleinerten Durchmesser, und
    • 3 eine Ansicht einer Stromdurchführung mit einem Segment verringerter thermischer Leitfähigkeit.
  • Bevorzugte Ausführung der Erfindung
  • Die 1 zeigt eine Stromdurchführung 1. Diese ist gebildet aus einem elektrisch leitfähigen Bolzen 2, der zumindest abschnittsweise von einer elektrisch nicht leitfähigen Isolationsschicht 3 umgegeben ist. Im Bereich der Isolationsschicht 3 ist außerdem eine metallische Hülse 4 angeordnet, in welcher der elektrisch leitfähige Bolzen 2 und die Isolationssicht 3 aufgenommen sind.
  • Das rechte Ende 5 des Bolzens 2 bildet das sogenannte Hot-End, welches in den nicht gezeigten Katalysator hineinragt und mit dem elektrischen Leiter im Katalysator in elektrisch leitfähigem Kontakt steht. Das linke Ende 6 bildet das sogenannte Cold-End, welches außerhalb des Katalysators den Kontaktbereich ausbildet.
  • Weiterhin ist der Hitzeschild 7 zu sehen, welcher auf der dem Cold-end 6 zugewandten Seite der Metallhülse 4 und der Isolationsschicht 3 angeordnet ist. Der Hitzeschild 7 dient der Verminderung der Wärmestrahlung seitens des nicht gezeigten Katalysators und aus Richtung des Hot-Ends 5 der Stromdurchführung 1.
  • Der Hitzeschild 7 kann beispielsweise durch ein Blech gebildet sein. Alternativ oder zusätzlich kann er auch ein thermisch isolierendes Material aufweisen.
  • 2 zeigt eine alternative Ausgestaltung der Stromdurchführung 8, wobei die Stromdurchführung 8 einen Bereich verringerten Durchmessers 9 aufweist. In diesem Bereich 9 ist beispielsweise ein Material geringeren spezifischen elektrischen Widerstands verwendet, so dass trotz veränderten Durchmessers, die gleiche elektrische Leitfähigkeit erreicht wird. Der Bereich geringeren Durchmessers 9 ist ebenfalls auf der dem Cold-End 6 zugewandten Seite der Stromdurchführung 8 angeordnet. Eine weitere Möglichkeit wäre hier das Material der Stromdurchführung 1 an einer Stelle 9 auszusparen und die geschaffene Nut mit einem alternativen Werkstoff, welcher eine geringere thermische Leitfähigkeit und eine gleichwertige elektrische Leitfähigkeit aufweist zu besetzen.
  • Die 3 zeigt eine weitere alternative Ausführung einer Stromdurchführung 10, wobei in diesem Ausführungsbeispiels ein Segment 11 verringerter thermischer Leitfähigkeit ausgebildet ist. Hierfür kann beispielsweise zur Erzeugung dieses Segments ein zum restlichen Bolzen abweichendes Material verwendet werden.
  • Die unterschiedlichen Merkmale der einzelnen Ausführungsbeispiele können auch untereinander kombiniert werden. Die Ausführungsbeispiele der 1 bis 3 weisen insbesondere keinen beschränkenden Charakter auf und dienen der Verdeutlichung des Erfindungsgedankens.

Claims (11)

  1. Stromdurchführung (1, 8, 10) für einen elektrisch beheizbaren Katalysator, wobei der Katalysator zumindest einen elektrischen Leiter in seinem Inneren aufweist, welcher mittels der Stromdurchführung (1, 8, 10) elektrisch kontaktierbar ist, mit einem zentralen elektrisch leitfähigen Elemenz (2), welches aus dem Inneren des Katalysator durch dessen äußere Gehäusewandung geführt ist, mit einer elektrischen Isolationsschicht (3), welche das elektrisch leitfähigen Element (2) an seiner radialen Außenfläche umgibt, und mit einer metallischen Hülse (4), in welcher das elektrisch leitfähige Element (2) und die elektrische Isolationsschicht (3) aufgenommen ist, dadurch g e k e n n z e ich n e t , dass an der Stromdurchführung (2, 8, 10) oder direkt benachbart zur Stromdurchführung (2, 8, 10) eine Vorrichtung zur Verringerung der Wärmeleitung vom Inneren des Katalysators entlang der Stromdurchführung (2, 8, 10) zu einer außerhalb des Katalysators angeordneten Kontaktfläche angeordnet ist.
  2. Stromdurchführung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitfähige Element durch einen Bolzen (2) gebildet ist.
  3. Stromdurchführung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung durch zumindest einen Teilabschnitt (11) verringerter thermischer Leitfähigkeit am elektrisch leitfähigen Element gebildet ist.
  4. Stromdurchführung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a durc h gekennzeichnet, dass die Vorrichtung durch einen Hitzeschild (7) gebildet ist.
  5. Stromdurchführung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Hitzeschild (7) an der Außenseite der Gehäusewandung zur Abschirmung der Kontaktfläche angeordnet ist.
  6. Stromdurchführung nach Anspruch 4, d a durc h g e k e n n - z e ich n e t , dass der Hitzeschild an der Innenseite der Gehäusewandung angeordnet ist.
  7. Stromdurchführung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung durch eine zusätzliche thermische Masse gebildet ist, welche an die Stromdurchführung thermisch angebunden ist.
  8. Stromdurchführung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung durch eine einzelne oder mehrere Kühlrippen gebildet ist, welche thermisch an die Stromdurchführung angebunden ist/sind.
  9. Stromdurchführung (8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung durch ein elektrisch leitfähiges Element gebildet ist, das zumindest abschnittsweise (9) einen stark verringerten Durchmesser aufweist.
  10. Stromdurchführung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a durc h gekennzeichnet, dass die Vorrichtung durch ein verlängertes elektrisch leitfähiges Element gebildet ist.
  11. Stromdurchführung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a durc h gekennzeichnet, dass die Vorrichtung durch ein Segment der Stromdurchführung gebildet ist, in welchem eine Phasenveränderung eines Stoffes vollzogen wird, um thermische Energie zu wandeln.
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