DE102019212133B4 - Elektrisch beheizbarer Katalysator - Google Patents

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Abstract

Elektrisch beheizbarer Katalysator mit einem metallischen Wabenkörper (2), wobei der Wabenkörper (2) durch eine Mehrzahl aufgewickelter metallischer Folien gebildet ist und der Wabenkörper (2) in einem Mantelrohr (1) aufgenommen ist, wobei durch eine Öffnung (4) im Mantelrohr (1) eine Vorrichtung zur elektrischen Kontaktierung zumindest einzelner Folien in das Mantelrohr (1) geführt ist, wobei die Vorrichtung durch eine Elektrode (5) gebildet ist, welche zur Innenseite des Mantelrohrs (1) durch eine Verbindungsschicht (7) elektrisch isoliert ist und mechanisch mit dem Mantelrohr (1) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsschicht (7) durch eine Isolierschicht (8) und eine Haftschicht (9) gebildet ist, wobei die Isolierschicht (8) dem Mantelrohr (1) zugewandt ist und die Haftschicht (9) der Elektrode (5) zugewandt ist.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft einen elektrisch beheizbaren Katalysator mit einem metallischen Wabenkörper, wobei der Wabenkörper durch eine Mehrzahl aufgewickelter metallischer Folien gebildet ist und der Wabenkörper in einem Mantelrohr aufgenommen ist, wobei durch eine Öffnung im Mantelrohr eine Vorrichtung zur elektrischen Kontaktierung zumindest einzelner Folien in das Mantelrohr geführt ist.
  • Stand der Technik
  • Zur Erhöhung der Abgastemperatur in Vorrichtungen zur Abgasnachbehandlung werden unter anderem auch elektrisch beheizbare Wabenkörper eingesetzt. Diese weisen einen Wabenkörper auf, der beispielsweise aus einer Vielzahl von metallischen Folien gebildet ist, die aufeinandergestapelt sind und miteinander aufgewickelt wurden. Zur Beheizung ist der Einsatz von stromdurchflossenen Leitern bekannt, die unter Ausnutzung des ohmschen Widerstands Wärme erzeugen. Alternativ können einzelne metallische Folien oder daraus erzeugte Lagenstapel direkt elektrisch kontaktiert werden, so dass diese als stromdurchflossener Leiter wirken und zu einer Erwärmung führen.
  • Zum Zwecke der elektrischen Kontaktierung werden regelmäßig mehrere Folien an einem ihrer freien Enden zu einem kompakten Stapel zusammengefasst, um den Strom zielgerichtet in die Folien einleiten zu können.
  • Die DE 694 00 288 T3 offenbart eine Heizeinheit, welche ein Wabenheizgerät aufweist, welches eine metallische Wabenstruktur mit einem Paar einander gegenüberliegenden Endflächen und einen Umfang aufweist, der die Endfläche miteinander verbindet. Weiterhin wiest das Heizgerät zumindest eine an der Wabenstruktur befestigte Elektrode zur Elektrifizierung der Wabenstruktur auf. Die Heizeinheit weist zumindest ein Metallgehäuse zum Halten der Wabenstruktur mittels zumindest eines metallische Stützelementes auf.
  • Die DE 195 33 088 A1 offenbart eine elektrisch isolierende Durchführung wenigstens eines elektrischen Leiters durch einen metallischen Mantel eines Abgassystems einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines elektrisch beheizbaren katalytischen Konverters, wobei der Mantel im Bereich der Durchführung eine Hülse aus einem metallischen Werkstoff aufweist, die mit dem Mantel verbunden ist und durch die sich der Leiter erstreckt, wobei die Durchführung eine Schutzeinrichtung aufweist, durch die eine Elektrokorrosion der Durchführung vermieden wird.
  • Die US 5 571 485 A offenbart einen Terminalbus und eine Halterung für einen mehrzelligen Konverter, insbesondere ein Katalysator, wobei der Konverter gekennzeichnet ist durch einen elektrisch beheizbaren Teil und einen Light-Off-Teil. Der elektrisch beheizbare Teil umfasst flache dünne Metallbänder als Heizbänder und flache dünne Metallbänder, die nicht elektrisch beheizbar sind. Außerdem umfasst dieser Teil einen Anschlussbus und einen Halter, der zum Anschluss an eine Spannungsquelle geeignet ist und zu den Enden der Heizbänder.
  • Insbesondere bei elektrisch beheizbaren Wabenkörpern mit einer hohen Anzahl an einzelnen zu bestromenden Folien können so besonders massive und dicke Stapel aus Folien entstehen. Diese haben den Nachteil, dass sie einerseits bauraumseitig nicht gut in den Wabenkörper integriert werden können und weiterhin sehr anfällig für die Bildung von Heißstellen sind, da diese so gebildeten Stapel dem angelegten Strom die Möglichkeit bieten einen möglicherweise ungünstigen Stromfluss nach dem Prinzip des geringsten Widerstands auszubilden. Es kann so zu lokalen Heißstellen kommen, die dauerhaft zu einer Beschädigung führen können und weiterhin eine Verschlechterung der Energieeffizienz der Heizvorrichtung führen.
  • Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, Vorteile
  • Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen elektrisch beheizbaren Wabenkörper zu schaffen, welcher eine verbesserte Anbindung einzelner Folien an eine stromeinleitende Elektrode innerhalb des Wabenkörpers ermöglicht und das Entstehen von lokalen Heißstellen aufgrund eines ungünstigen Stromflusses vermeidet.
  • Die Aufgabe hinsichtlich des elektrisch beheizbaren Katalysators wird durch einen elektrisch beheizbaren Katalysator mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft einen elektrisch beheizbaren Katalysator mit einem metallischen Wabenkörper, wobei der Wabenkörper durch eine Mehrzahl aufgewickelter metallischer Folien gebildet ist und der Wabenkörper in einem Mantelrohr aufgenommen ist, wobei durch eine Öffnung im Mantelrohr eine Vorrichtung zur elektrischen Kontaktierung zumindest einzelner Folien in das Mantelrohr geführt ist, wobei die Vorrichtung durch eine Elektrode gebildet ist, welche zur Innenseite des Mantelrohrs durch eine Verbindungsschicht elektrisch isoliert ist und mechanisch mit dem Mantelrohr verbunden ist, wobei die Verbindungsschicht durch eine Isolierschicht und eine Haftschicht gebildet ist, wobei die Isolierschicht dem Mantelrohr zugewandt ist und die Haftschicht der Elektrode zugewandt ist.
  • Der Wabenkörper ist aus einer Mehrzahl aus Metallfolien gebildet, die beispielsweise glatt oder strukturiert, insbesondere gewellt, sein können. Die aufeinandergestapelten Metallfolien sind dann vorzugsweise um einen oder mehrere Dorne aufgewickelt, so dass ein Wabenkörper mit einer Mehrzahl von durchströmbaren Strömungskanälen entsteht. Die einzelnen Strömungskanäle sind dabei im Wesentlichen zwischen den gewellten und glatten Metallfolien ausgebildet.
  • Durch die Beabstandung einzelner Lagenstapel zueinander können elektrisch voneinander isolierte Leiter ausgebildet werden. Durch das Anlegen einer elektrischen Spannung an einen oder mehrere dieser Lagenstapel kann eine Erwärmung des Wabenkörpers unter Ausnutzung des ohmschen Widerstandes erreicht werden. Der mit Strom durchflossene Lagenstapel wird dabei aufgrund des elektrischen Widerstandes, der ihn bildenden Metallfolien erhitzt. Vorbeiströmendes Abgas wird durch die erhitzten Metallfolien mit erhitzt, wodurch die Temperatur im Katalysator oder den dem Katalysator nachfolgenden Strukturen erhöht wird.
  • Zum Zwecke der elektrischen Kontaktierung muss ein elektrischer Leiter durch das den Wabenkörper aufnehmende Mantelrohr geführt werden. Hierzu dient die Elektrode, die eine besonders einfache Kontaktierung der Metallfolien ermöglicht. Insbesondere eine stoffschlüssige Anbindung der Metallfolien an die Elektrode, beispielsweise durch Löten oder Schweißen, ist hier vorteilhaft, um eine dauerhaft haltbare Anbindung zu erzeugen.
  • Regelmäßig wird ein elektrischer Pol durch die Elektrode gebildet, während der jeweils andere Pol durch das Gehäuse des Katalysators gebildet wird. Um sicherzugehen, dass es keinen Kurzschluss gibt, muss deswegen die durch das Gehäuse beziehungsweise den Mantel geführte Elektrode elektrisch isoliert gegenüber dem Gehäuse beziehungsweise dem Mantelrohr sein, während sie insbesondere elektrisch leitend mit den Metallfolien der der Elektrode zugeordneten Lagenstapel verbunden sein muss.
  • Zur Sicherstellung der Dauerhaltbarkeit und zur Erhöhung der Festigkeit ist die Elektrode fest mit dem Mantelrohr verbunden, um Relativbewegungen der Elektrode gegenüber dem Mantelrohr zu vermeiden und so auch eine Bewegung der Metallfolien beziehungsweise der Lagenstapel zu verhindern.
  • Die Verbindungsschicht ist idealerweise eine mehrphasige Schicht, die einerseits eine elektrische Isolation zwischen dem Mantelrohr und der Elektrode erzeugt, und gleichzeitig eine Haftschicht aufweist, die eine dauerhafte und insbesondere robuste Verbindung der Elektrode mit dem Mantelrohr ermöglicht. Bekannt sind hier beispielsweise mehrlagige Verbindungsschichten oder Verbindungsschichten mit spezifischen Eigenschaften im Randbereich. Solche spezifischen Eigenschaften können beispielsweise durch die Zugabe bestimmter Elemente oder Stoffgemische erreicht werden.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn eine Mehrzahl der den Wabenkörper bildenden metallischen Folien mit der Elektrode elektrisch leitend verbunden ist. Dies ist notwendig, um einen Stromfluss von der Elektrode in die Metallfolien zu ermöglichen.
  • Auch ist es vorteilhaft, wenn.
  • Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierschicht eine elektrisch isolierende Wirkung hat und aus einem der Stoffe Al2O3, ZrO2, MgO, TiO2, CeO2, einer mit Yttrium dotierten Keramik, einer mit Silizium dotierten Keramik, Cordierit, Mullit oder einem Gemisch der aufgezählten Stoffe gebildet ist.
  • Auch ist es zu bevorzugen, wenn die Haftschicht eine metallische Schicht ist und aus einem der Stoffe Cu, Ni, Co, Ag, Pd oder deren Legierungen wie beispielsweise AgPd oder CuNi gebildet ist.
  • Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn die Isolierschicht und die Haftschicht ähnliche, bevorzugt gleiche Wärmeausdehnungskoeffizienten haben. Dies ist vorteilhaft, um das Auftreten von Spannungen innerhalb der Verbindungsschicht zu vermeiden. Spannungen können insbesondere infolge der starken Erwärmung und Abkühlung des Katalysators im Betrieb entstehen. Bevorzugt weisen die Isolierschicht und die Haftschicht auch ähnliche beziehungsweise gleiche Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, wie der benachbarte Mantel oder die Elektrode.
  • Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Elektrode T-förmig ausgebildet ist und der im Inneren des Mantelrohrs angeordnete Abschnitt eine größere Querschnittsfläche als die Öffnung aufweist, durch die sie geführt ist. Die T-förmige Grundform ist vorteilhaft, um eine Anbindungsfläche für die Metallfolien beziehungsweise die Lagenstapel zu schaffen, welche größer ist als die Öffnung, durch welche die Elektrode durch das Mantelrohr geführt ist. Dies macht die Anbindung der Lagenstapel leichter und verhindert zudem die Entstehung von sogenannten Hotspots, die durch eine Konzentration des fließenden Stroms an einer bestimmten Stelle der Elektrode oder den Metallfolien entstehen können.
  • Die Elektrode kann vorteilhaft von Innen durch das Mantelrohr geführt werden und anschließend mit dem Mantelrohr mechanisch verbunden werden, bevor schließlich die Metallfolien an die Elektrode angebunden werden. Je nach Gestaltung des Produktionsprozesses kann die Verbindung der Elektrode mit dem Mantelrohr und der Metallfolien mit der Elektrode auch zeitgleich in einem Arbeitsschritt, beispielsweise durch das Löten in einem Lötofen erreicht werden.
  • Auch ist es zweckmäßig, wenn das Mantelrohr eine radial nach außen gerichtete Ausbuchtung im Bereich der Öffnung aufweist, wobei der ins Innere des Mantelrohrs geführte Abschnitt der Elektrode in einer von dieser Ausbuchtung ausgebildeten Tasche aufgenommen ist. Die Ausbuchtung nach außen schafft im Inneren eine Art Kaverne in der Wand des Mantelrohres, in welche der T-förmige Bereich der Elektrode hinein aufgenommen werden kann. Dadurch kann der ansonsten kreisrunde Querschnitt des Mantelrohrs beibehalten werden. Weiterhin muss der aus den Metallfolien gebildete Wabenkörper nicht speziell angepasst werden, um an die Elektrode angepasst zu werden. Dies gilt natürlich in gleicher Weise auch für Wabenkörper und Mantelrohre mit abweichenden Querschnitten, wie beispielsweise einem ovalen Querschnitt.
  • Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn die Öffnung im Mantelrohr durch die stoffschlüssige Verbindung zwischen der Elektrode, der Isolierschicht und der Haftschicht gasdicht verschlossen ist. Dies ist insbesondere vorteilhaft, um Leckagen zu vermeiden. Austretende heiße Abgase entziehen dem Katalysator einerseits Energie und können darüber hinaus zu Beschädigungen an den den Katalysator umgebenden Strukturen führen.
  • 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 schematische Schnittansicht durch die Elektrode und das Mantelrohr im Bereich der Durchführung durch das Mantelrohr, und
    • 2 eine Schnittansicht durch die Kontaktstelle zwischen Mantelrohr und Elektrode, wobei die Verbindungsschicht ebenfalls dargestellt ist.
  • Bevorzugte Ausführung der Erfindung
  • Die 1 zeigt eine Schnittansicht durch ein Mantelrohr 1 eines Katalysators, insbesondere eines elektrisch beheizbaren Katalysators. Das Mantelrohr 1 bildet ein Gehäuse für den im Inneren ausgebildeten Wabenkörper 2, der aus einer Mehrzahl von Metallfolien gebildet ist, die zu Lagenstapeln 3 aufeinandergestapelt sind.
  • Das Mantelrohr 1 weist eine Öffnung 4 auf, durch welche eine Elektrode 5 geführt ist. Im Ausführungsbeispiel der 1 weist die Elektrode 5 einen stielartigen Fortsatz auf, der durch die Öffnung 4 aus dem Inneren des Mantelrohres 1 nach außen ragt, und einen plattenförmigen Abschnitt, der im Inneren des Mantelrohres 1 angeordnet ist. Die Elektrode 5 ist T-förmig ausgebildet.
  • Das Mantelrohr 1 weist in der direkten Umgebung der Öffnung 4 eine Ausbuchtung 6 auf, in welcher der plattenförmige Abschnitt der Elektrode 5 aufgenommen ist. Die nach innen gerichtete Fläche des plattenförmigen Abschnitts der Elektrode 5 liegt in einer Flucht mit der Innenwandung des Mantelrohres 1. Je nach Radius des Mantelrohres 1 kann der plattenförmige Abschnitt auch vorgeformt sein und an die Geometrie der Innenseite des Mantelrohre 1 angepasst sein. So kann die Elektrode 5 beispielsweise auch an einen ovalen oder einen anderweitigen Querschnitt des Mantelrohres 1 angepasst sein.
  • Die Ausbuchtung 6 führt dazu, dass eine um den im Inneren ausgebildete Wabenkörper 2 gelegte Hüllkurve einen stetigen Verlauf aufweisen kann und keine Einkerbung oder sonstige Aussparung im Bereich der Elektrode 5 aufweisen muss. Dies ist insbesondere vorteilhaft, da die Wabenkörper regelmäßig durch das Aufwickeln der Lagenstapeln um einen Dorn oder mehrere Dorne erzeugt werden.
  • Die Elektrode 5 ist mit dem Mantelrohr 1 mechanisch und temperaturresistent über eine Verbindungsschicht 7 verbunden. Die Verbindungsschicht 7 weist einen elektrisch isolierenden Bereich 8 und einen Haftbereich 9 auf. Der elektrisch isolierende Bereich 8 ist auf der dem Mantelrohr 1 zugewandten Seite angeordnet und der Haftbereich auf der der Elektrode 5 zugewandten Seite der Verbindungsschicht 7.
  • Auf den Haftbereich 9 kann ein Lot 10 aufgetragen werden, welches zur späteren Anbindung der Elektrode 5 an den Mantel 1 dient. Die Verbindungsschicht 7 kann aus zwei einzelnen und zusammengefügten Schichten gebildet sein. Alternativ kann auch eine Schicht ausgebildet sein, die in den beiden Randbereichen jeweils unterschiedlich ausgebildet ist. So kann beispielsweise die Konzentration von zugegebenen Elementen unterschiedlich stark sein, um an einem Randbereich eine elektrisch isolierende Wirkung zu erzielen. Am gegenüberliegenden Randbereich kann ein ausreichend hoher metallischer Anteil ausgebildet sein, der die Anbindung an die Elektrode 5 mittels Löten erlaubt. Bevorzugte Materialien sind in den Unteransprüchen beschrieben.
  • Das Ausführungsbeispiel der 1 und 2 weist insbesondere keinen beschränkenden Charakter auf und dient der Verdeutlichung des Erfindungsgedankens.

Claims (9)

  1. Elektrisch beheizbarer Katalysator mit einem metallischen Wabenkörper (2), wobei der Wabenkörper (2) durch eine Mehrzahl aufgewickelter metallischer Folien gebildet ist und der Wabenkörper (2) in einem Mantelrohr (1) aufgenommen ist, wobei durch eine Öffnung (4) im Mantelrohr (1) eine Vorrichtung zur elektrischen Kontaktierung zumindest einzelner Folien in das Mantelrohr (1) geführt ist, wobei die Vorrichtung durch eine Elektrode (5) gebildet ist, welche zur Innenseite des Mantelrohrs (1) durch eine Verbindungsschicht (7) elektrisch isoliert ist und mechanisch mit dem Mantelrohr (1) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsschicht (7) durch eine Isolierschicht (8) und eine Haftschicht (9) gebildet ist, wobei die Isolierschicht (8) dem Mantelrohr (1) zugewandt ist und die Haftschicht (9) der Elektrode (5) zugewandt ist.
  2. Elektrisch beheizbarer Katalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl der den Wabenkörper (2) bildenden metallischen Folien mit der Elektrode (5) elektrisch leitend verbunden ist.
  3. Elektrisch beheizbarer Katalysator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierschicht (8) eine elektrisch isolierende Wirkung hat und aus einem der Stoffe Al2O3, ZrO2, MgO, TiO2, CeO2, einer mit Yttrium dotierten Keramik, einer mit Silizium dotierten Keramik, Cordierit, Mullit oder einem Gemisch der aufgezählten Stoffe gebildet ist.
  4. Elektrisch beheizbarer Katalysator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftschicht (9) eine metallische Schicht ist und aus einem der Stoffe Cu, Ni, Co, Ag, Pd oder deren Legierungen wie beispielsweise AgPd oder CuNi gebildet ist.
  5. Elektrisch beheizbarer Katalysator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierschicht (8) und die Haftschicht (9) ähnliche, oder gleiche Wärmeausdehnungskoeffizienten haben.
  6. Elektrisch beheizbarer Katalysator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode (5) T-förmig ausgebildet ist und der im Inneren des Mantelrohrs (1) angeordnete Abschnitt eine größere Querschnittsfläche als die Öffnung (4) aufweist, durch die sie geführt ist.
  7. Elektrisch beheizbarer Katalysator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mantelrohr (1) eine radial nach außen gerichtete Ausbuchtung (6) im Bereich der Öffnung (4) aufweist, wobei der ins Innere des Mantelrohrs (1) geführte Abschnitt der Elektrode (5) in einer von dieser Ausbuchtung (6) ausgebildeten Tasche aufgenommen ist.
  8. Elektrisch beheizbarer Katalysator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (4) im Mantelrohr (1) durch die stoffschlüssige Verbindung zwischen der Elektrode (5), der Isolierschicht (8) und der Haftschicht (9) gasdicht verschlossen ist.
  9. Elektrisch beheizbarer Katalysator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode (5) einteilig ausgeführt ist.
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