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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Heizvorrichtung für einen Abgasstrang gemäß den Merkmalen im Oberbegriff von Anspruch 1.
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Eine Heizvorrichtung in Abgassystemen wird zur schnellen Aufwärmung der Abgasnachbehandlungskomponenten verwendet. Bekannt sind Anwendungen im Gasgasvollstrom, in der Abgasrückführung in der der SCR Technologie zur Hydrolyse von Harnstoffwasserlösungen zu Ammoniak. Übliche Bauformen sind elektrische Heizleiter, die aus dünnen Blechstreifen bestehen und zur besseren Wärmeübertragung kleine Kanäle bilden.
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Strömt nunmehr das Abgas über den Heizleiter, so wird aufgrund von Konvektion das an dem Heizleiter vorbeiströmende Abgas erwärmt. Dieses erwärmte Abgas gibt sodann seine Wärme an den in Abgasströmungsrichtung nachfolgenden Katalysator ebenfalls aufgrund von Konvektion ab, so dass der Katalysator schneller auf Betriebstemperatur ist. Eine solche Ausgestaltungsvariante ist beispielsweise aus der
DE 10 2015 111 689 B3 bekannt. Hier ist jedoch auch gleichsam der Heizleiter selbst in eine mineralische poröse Struktur eingebettet, so dass sich ein erhöhter Fertigungsaufwand ergibt.
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Ferner ist aus der
WO 2017/151975 A1 eine elektrische Heizvorrichtung gemäß den Merkmalen im Oberbegriff des Anspruches 1 bekannt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine thermisch robuste Heizvorrichtung für einen Abgasstrang aufzuzeigen, welche insbesondere entkoppelt von einem nachfolgenden Katalysator angeordnet werden kann.
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Die zuvor genannte Aufgabe wird mit einer elektrischen Heizvorrichtung in einem Abgasstrang eines Kraftfahrzeuges mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungsvarianten sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die elektrische Heizvorrichtung in einem Abgasstrang eines Kraftfahrzeuges weist ein außen umlaufendes, insbesondere rundes Gehäuse auf, wobei in dem Gehäuse eine Lamellenstruktur angeordnet ist und die Lamellenstruktur selbst, insbesondere die Heizvorrichtung ausbildet. Die Lamellenstruktur ist durch Beaufschlagung mit einem elektrischen Strom erwärmbar.
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Erfindungsgemäß zeichnet sich die Lamellenstruktur dadurch aus, dass diese durch ein spiralförmig aufgewickeltes Lamellenblech ausgebildet wird, wobei zwischen den einzelnen Wicklungen des Lamellenbleches keramische Abstandskörper formschlüssig lagefixiert in dem Lamellenblech angeordnet sind. Dies erfolgt dergestalt, dass die Heizvorrichtung ohne zusätzliche Kopplungselemente frei in dem Abgasstrang positionierbar ist, mithin muss die Lamellenstruktur insbesondere nicht über beispielsweise Koppelelemente oder Stifte oder ähnliches an einen in Abgasströmungsrichtung vor- oder nachgeschalteten Katalysator gekoppelt oder abgestützt werden. Ein weiterer erfindungsgemäßer Vorteil ist es, dass die Abstandskörper selbst zur Vergrößerung der wärmeübertragenden Oberfläche dienen. Hierdurch wird insbesondere ein besserer Wärmeübergang und damit eine schnellere Aufheizung, insbesondere im Kaltstartverhalten realisiert.
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Im Sinne der Erfindung muss die Lamellenstruktur durch einen spiralförmig aufgewickelten Heizleiter ausgebildet sein. Es können auch parallel geführte oder zickzackgeführte Heizleiter, die entsprechend zueinander beabstandet sind sein, wobei dann zwischen den Heizleitern die keramischen Abstandskörper angeordnet sind.
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Das Lamellenblech selbst ist zweigeteilt ausgebildet, dergestalt, dass dieses aus einer Glattlage und einem Finnenblech hergestellt ist. Insbesondere ist Glattlage ein spiralförmig aufgewickelter Blechstreifen. Dieser bestimmt wesentlich die Länge des wirkenden Strompfades. Das Lamellenblech ist insbesondere aus einem hitzebeständigen Stahl, welcher sich zudem bei Beaufschlagung mit elektrischer Energie erwärmt, ausgebildet. Die Abstandshalter sind aus einem Keramikwerkstoff ausgebildet. Besonders vorteilig bei der Ausbildung mit einer Glattlage hat sich ein kurzer Strompfad herausgestellt. Der Heizwiderstand ist dann in dem gewünschten Bereich eingestellt, beispielsweise bei 250 mOhm bis 700 mOhm. Der Heizwiderstand wird über die Querschnittsfläche und Länge bestimmt, insbesondere wenn das Material bevorzugt konstant ausgebildet ist. Somit kann insbesondere die Länge des Heizleiters und damit der Heizwiderstand über die Glattlage eingestellt werden.
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Damit eine vergrößerte Oberfläche bereitgestellt wird, wird ein Finnenblech mit der Glattlage gekoppelt. Das Finnenblech selbst kann auch durch Beaufschlagung mit elektrischer Energie erwärmbar sein. Das Finnenblech erwärmt sich jedoch maßgeblich ebenfalls aufgrund von Wärmeleitung, mithin die Glattlage erwärmt sich und gibt Wärme aufgrund von Wärmeleitung an das Finnenblech ab. Das vorbeiströmende Abgas nimmt dann Wärme auf aufgrund von Konvektion und gibt diese in Abgasströmungsrichtung an einen Katalysator, welcher in Abgasströmungsrichtung nachgeschaltet ist, ab.
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Damit nunmehr die Abstandskörper strömungsoptimiert und fertigungsoptimiert in der Heizvorrichtung angeordnet werden können, sind diese insbesondere als Zylinderkörper, insbesondere zylindrische Hohlkörper ausgebildet. Die Abstandskörper werden mit ihrer jeweiligen Längsachse in Abgasströmungsrichtung orientiert angeordnet. Die Abstandskörper können auch als Quaderkörper bzw. Rechteckkörper ausgebildet sein.
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In dem Lamellenblech, insbesondere in der Glattlage sind Aussparungen vorgesehen, in welcher jeweils die Abstandskörper aufgenommen ist. Ist ein jeweiliger Abstandskörper in eine Aussparung eingesetzt, ist bevorzugt, eine Gegenhalterung vorgesehen, die entweder aus dem Lamellenblech selbst bzw. im Falle von Glattlage und Finnenblech aus dem Finnenblech hergestellt ist. Die Gegenhalterung hält dann einen jeweils in der Aussparung angeordneten Abstandskörper. Die Gegenhaltung selbst ist federnd ausgebildet, so dass der Abstandskörper in der Aussparung federnd gelagert angeordnet ist. Dies hat zwei wesentliche Vorteile. Zum einen können während der Fertigung, insbesondere aufgrund der spiralförmigen Aufwicklung in Radialrichtung, Ausdehnungen und Toleranzen kompensiert werden.
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Ferner können im späteren Betrieb ebenfalls thermische Ausdehnungen in Radialrichtung aufgrund der federnden Lagerung kompensiert werden.
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Die Lagerung der Abstandskörper funktioniert dann nach dem Prinzip eines Rollenlagers, wobei die Abstandskörper ausschließlich durch den Formschluss gehalten sind. Dass hier eine Federlagerung, insbesondere unter Vorspannung gegeben ist, vergrößert zugleich die zwischen Lamellenblech bzw. Glattlage als Heizleiter und Abstandshalter übertragene Wärmeleitung, so dass dann bei vorbeiströmendem Abgas entsprechend an den Abstandskörpern mehr Wärmeenergie zur Erwärmung des Abgases aufgrund von Konvektion zur Verfügung steht.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltungsvariante sind die elektrischen Anschlüsse des Lamellenbleches einmal radial außenseitig und einmal im Zentrum vorgesehen. Die Anordnung im Zentrum bietet bevorzugt eine thermische Kompensation aufgrund der spiralförmigen Wicklung bzw. schneckenförmigen Wicklung analog dem Prinzip einer Bandfeder.
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Ist das Lamellenblech spiralförmig aufgewickelt, ist besonders bevorzugt ein Außenring vorgesehen, welcher um das spiralförmig aufgewickelte Lamellenblech angeordnet ist, wobei der Außenring, insbesondere in Radialrichtung zweigeteilt ausgebildet ist. Somit kann beim Fügen, insbesondere auf beide Schalenhälften des Außenringes in radialer Richtung eine weitere Vorspannung auf das spiralförmig aufgewickelte Lamellenblech aufgebracht werden, wodurch die Vorspannung der federnden Lagerung an den einzelnen Abstandskörpern nochmals sichergestellt bzw. erhöht werden kann. Der Außenring selbst wird dann insbesondere auch dazu genutzt, um das Lamellenblech frei in dem Abgasstrang zu positionieren, mithin in dem Gehäuse eines Abgasstranges zu positionieren. Erfindungsgemäß wird erreicht, dass das aufgewickelte Lamellenblech mit dem Außenring frei in dem Gehäuse positioniert werden kann und das Lamellenblech, welches maßgeblich den Halbleiter darstellt, nicht nochmals zunächst punktuell in der Querschnittsfläche weiter abgestützt werden muss.
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Der Außenring kann auch einteilig ausgebildet sein. In den einteiligen Außenring wird dann das jeweilige Lamellenblech in Axialrichtung eingeschoben und eine Außenkante des Außenrings bevorzugt derart umgebogen, dass das Lamellenblech in dem Außenring fixiert ist. Die Abstände werden wie gesagt, durch die formschlüssig eingeschlossenen Abstandskörper zwischen den Lamellenblechen gehalten.
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Ferner kann noch eine äußere Isolierung aufgebracht sein, beispielsweise durch ein doppelwandiges Gehäuse oder auch eine Fasermatte, die um das Gehäuse gewickelt ist. Hierzu können ferner auch der Außenring und das Gehäuse nochmals thermisch isoliert entkoppelt sein, so dass hier keine Wärmeenergie an das Gehäuse abgegeben wird, sondern ausschließlich an den in Abgasströmungsrichtung folgenden Katalysator.
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Weitere Vorteile, Merkmale, Eigenschaften und Aspekte der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung. Bevorzugte Ausgestaltungsvarianten werden in schematischen Figuren dargestellt. Diese dienen dem einfachen Verständnis der Erfindung. Es zeigen:
- 1 eine erfindungsgemäße Anordnung einer elektrischen Heizvorrichtung,
- 2 bis 4 verschiedene Ansichten des Lamellenbleches,
- 5a und b eine jeweilige Detailansicht einer Ausnehmung mit Abstandskörper und
- 6 eine Frontansicht auf ein Lamellenblech mit Außenring.
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In den Figuren werden für gleiche oder ähnliche Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet, auch wenn eine wiederholte Beschreibung aus Vereinfachungsgründen entfällt.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung einer elektrischen Heizvorrichtung 1. Hierzu ist ein Katalysator 2 mit einer in Abgasströmungsrichtung A vorgelagerten Heizleiter 3 in einem Gehäuse, insbesondere rundem Gehäuse 4 angeordnet. An der Gehäuse 4 können elektrische Anschlüsse 5 vorhanden sein, so dass die im Gehäuse 4 angeordnete Heizleiter 3 mit Strom beaufschlagbar ist.
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2 zeigt den erfindungsgemäßen Heizleiter 3 in perspektivischer Detailansicht. Zunächst ist die spiralförmige Wicklung des Lamellenbleches 6 zu erkennen. Zwischen den einzelnen Wicklungen sind Abstandskörper 7 in Form von Hülsen angeordnet. Die Abstandskörper 7 sind angeordnet, damit die einzelnen Wicklungsstränge in Radialrichtung zueinander beabstandet sind, so wie es auch in 3 ersichtlich ist. Die elektrischen Anschlüsse 5 sind hier dargestellt, zum einen auf die Radialrichtung bezogen einmal außenseitig und einmal zentral in der Mitte angeordnet. Die zentrale Anordnung in der Mitte ermöglicht nach dem Prinzip einer Bandfeder als thermische Ausdehnungen zwischen den einzelnen Windungen bzw. Lage 8 zu kompensieren.
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4 zeigt eine Längsschnittansicht durch eine erfindungsgemäße Heizvorrichtung 1. Hierbei ist zu erkennen, wie die radial umlaufenden Abstandskörper 7 in dem Lamellenblech 6 angeordnet sind. Insbesondere sind diese in Abgasströmungsrichtung A vorderseitig und hinterseitig von dem Lamellenblech 6 gehalten, so dass die Aussparung 11 in dem Lamellenblech 6 selbst ausgebildet ist und Abstandskörper 7 nicht Abgasströmungsrichtung A mithin in Axialrichtung verschoben werden können.
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Eine Detailansicht ist gezeigt in 5a und b. Hierbei ist das Lamellenblech 6 selbst zweigeteilt ausgebildet. Zum einen mit einer Glattlage 9 sowie einem Finnenblech 10. In der Glattlage 9 sind Aussparungen 11 zur Anordnung eines Abstandskörpers 7. Dies ist eine Lage einer Wicklung. Wird nunmehr die nächste Lage 8 der Wicklung darüber gesetzt, so liegt das Finnenblech 10 der nächsten Lage 8 auf dem Abstandskörper 7. Hierzu ist ersichtlich, dass auch Aussparungen 12 an dem Finnenblech 10 vorgesehen sein können, wobei das Finnenblech 10 insbesondere den Abstandskörper 7 federnd lagernd aufnimmt. Das Finnenblech 10 der nächsten nicht näher dargestellten Lage den hier dargestellten Abstandskörper 7 federnd lagernd aufnimmt und eine insbesondere Vorspannung auf diesen aufbringt. Hierdurch erfolgt auch eine Fixierung des Abstandskörpers 7 in Radialrichtung R. Die Aussparungen 12 an dem Finnenblech 10 sind in Radialrichtung beidseitig, dargestellt in 5b.
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6 zeigt eine Frontansicht auf ein erfindungsgemäßes Heizelement. Das Heizelement weist hierzu einen Außenring 13 auf. Der Außenring 13 ist insbesondere zweigeteilt. In Radialrichtung werden nunmehr die zwei Teile des Außenringes 13 gefügt, so ergibt sich eine radial nach innen wirkende Kraft F, die zusätzlich das spiralförmig aufgewickelte Lamellenblech 6 im Inneren komprimiert und unter Vorspannung setzt. Die Schalen können dann an einer jeweiligen Trennstelle 14 miteinander gekoppelt sein und das spiralförmig aufgewickelte Lamellenblech 6 komprimiert unter Vorspannung halten. Die einzelnen Lagen 8 des Lamellenbleches 6 können zusätzlich miteinander gefügt sein, beispielsweise durch punktuelles Löten oder ähnliches.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Heizvorrichtung
- 2
- Katalysator
- 3
- Heizleiter
- 4
- Gehäuse
- 5
- elektrische Anschlüsse
- 6
- Lamellenblech
- 7
- Abstandskörper
- 8
- Lage
- 9
- Glattlage
- 10
- Finnenblech
- 11
- Aussparung
- 12
- Aussparung zu 10
- 13
- Außenring
- 14
- Trennstelle
- A
- Abgasströmungsrichtung
- F
- Kraft
- R
- Radialrichtung
