DE102021131364A1

DE102021131364A1 - Electrical heater of an exhaust system

Info

Publication number: DE102021131364A1
Application number: DE102021131364.3A
Authority: DE
Inventors: Francois Fernand
Original assignee: Faurecia Emissions Control Technologies Germany GmbH
Current assignee: Faurecia Emissions Control Technologies Germany GmbH
Priority date: 2021-11-30
Filing date: 2021-11-30
Publication date: 2023-06-01

Abstract

Eine elektrische Heizvorrichtung eines Abgassystems hat ein scheibenförmiges, poröses, stromdurchflossenes Heizelement (12), das dazu vorgesehen ist, in einem Abgasstrom angeordnet und axial vom Abgasstrom durchströmt zu werden, sowie wenigstens einen Elektrodenstreifen (16), an dem eine stromführende Anschlusselektrode (18) angebracht ist. Der Elektrodenstreifen (16) ist im Bereich des Umfangs des Heizelements (12) angeordnet und elektrisch an einer elektrischen Kontaktstelle (28) mit dem Heizelement (12) verbunden, um elektrischen Strom durch das Heizelement (12) zu leiten. Die Anschlusselektrode (18) ist bezüglich der Umfangsrichtung (U) mit Abstand zu der elektrischen Kontaktstelle (28) am Elektrodenstreifen (16) angeordnet, wobei die Anschlusselektrode (18) an einem ersten Längsende (22) und die elektrische Kontaktstelle (28 an einem entgegengesetzten zweiten Längsende (24) des Elektrodenstreifens (16) angeordnet ist.

An electrical heating device of an exhaust system has a disc-shaped, porous, current-carrying heating element (12), which is intended to be arranged in an exhaust gas stream and through which the exhaust gas stream flows axially, and at least one electrode strip (16) on which a current-carrying connection electrode (18) is attached. The electrode strip (16) is disposed about the periphery of the heating element (12) and is electrically connected to the heating element (12) at an electrical contact point (28) to conduct electrical current through the heating element (12). The connection electrode (18) is arranged on the electrode strip (16) at a distance from the electrical contact point (28) with respect to the circumferential direction (U), the connection electrode (18) at a first longitudinal end (22) and the electrical contact point (28) at an opposite end second longitudinal end (24) of the electrode strip (16) is arranged.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Heizvorrichtung eines Abgassystems.The invention relates to an electrical heating device for an exhaust system.

In Abgassystemen von Verbrennungsmotoren sind üblicherweise Katalysatoren vorgesehen, um Emissionen zu reduzieren. Damit eine katalytische Oxidation unmittelbar nach einem Kaltstart optimal ablaufen kann, ist es bekannt, Heizvorrichtungen vorzusehen, die den Katalysator auf eine Reaktionstemperatur erwärmen.Catalytic converters are usually provided in exhaust systems of internal combustion engines in order to reduce emissions. So that a catalytic oxidation can proceed optimally immediately after a cold start, it is known to provide heating devices which heat the catalytic converter to a reaction temperature.

Beispielsweise kann hierzu eine abgasdurchströmte Heizvorrichtung verwendet werden, die stromaufwärts des Katalysators angeordnet ist und die das Abgas erwärmt, bevor es den Katalysator durchströmt.For example, a heating device through which the exhaust gas flows can be used for this purpose, which is arranged upstream of the catalytic converter and which heats the exhaust gas before it flows through the catalytic converter.

Wenn das Heizelement der Heizvorrichtung sowohl durch Stromfluss aufgrund des Joule-Effekts erhitzt werden als auch im Abgasstrom liegen soll, muss es gleichzeitig einen hohen elektrischen Widerstand und einen geringen Strömungswiderstand aufweisen. Diese Bedingungen erfüllen z.B. Heizelemente aus einem offenporigen Metallschaum.If the heating element of the heating device is to be heated both by current flow due to the Joule effect and also to be located in the exhaust gas flow, it must have high electrical resistance and low flow resistance at the same time. These conditions are met, for example, by heating elements made of an open-pored metal foam.

Dabei ist das Heizelement mit seiner Stirnfläche senkrecht oder schräg, z.B. in einem Winkel von bis zu 45°, zu einem Abgasstrom ausgerichtet, sodass es von dem zu behandelnden Abgas axial durchströmt wird.The front face of the heating element is aligned perpendicularly or at an angle, e.g. at an angle of up to 45°, to an exhaust gas flow, so that the exhaust gas to be treated flows through it axially.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine derartige Heizvorrichtung flexibel an unterschiedliche Bauraumgegebenheiten anpassen zu können.The object of the invention is to be able to flexibly adapt such a heating device to different installation space conditions.

Diese Aufgabe wird durch eine elektrische Heizvorrichtung eines Abgassystems gelöst, die ein scheibenförmiges, poröses, stromdurchflossenes Heizelement aufweist, das dazu vorgesehen ist, in einem Abgasstrom angeordnet und axial von Abgasstrom angeströmt zu werden. Außerdem ist wenigstens ein Elektrodenstreifen vorgesehen, an dem eine stromführende Anschlusselektrode angebracht ist. Der Elektrodenstreifen ist im Bereich des Umfangs des Heizelements angeordnet und elektrisch an einer Kontaktstelle mit dem Heizelement verbunden, um elektrischen Strom durch das Heizelement zu leiten. Bezüglich der Umfangsrichtung ist die Anschlusselektrode mit Abstand zu der elektrischen Kontaktstelle am Elektrodenstreifen angeordnet. Die Anschlusselektrode ist an einem ersten Längsende und die elektrische Kontaktstelle an einen entgegengesetzten zweiten Längsende des Elektrodenstreifens angeordnet.This object is achieved by an electrical heating device of an exhaust system, which has a disc-shaped, porous, current-carrying heating element which is intended to be arranged in an exhaust gas flow and to be flown axially by the exhaust gas flow. In addition, at least one electrode strip is provided, to which a current-carrying connection electrode is attached. The electrode strip is disposed about the periphery of the heating element and is electrically connected to the heating element at a contact point to conduct electrical current through the heating element. With respect to the circumferential direction, the connection electrode is arranged at a distance from the electrical contact point on the electrode strip. The connection electrode is arranged on a first longitudinal end and the electrical contact point is arranged on an opposite second longitudinal end of the electrode strip.

Der zumindest eine Elektrodenstreifen bildet eine elektrische Zuleitung von der Anschlusselektrode, die mit den externen Stromleitungen verbunden ist, zur elektrischen Kontaktstelle, die den eigentlichen Stromeinleitungspunkt am Heizelement bildet.The at least one electrode strip forms an electrical supply line from the connection electrode, which is connected to the external power lines, to the electrical contact point, which forms the actual current introduction point on the heating element.

Die Anschlusselektrode ist an ihrem Elektrodenstreifen fixiert, an dieser Stelle aber nicht direkt mit dem Material des Heizelements elektrisch leitend verbunden.The connection electrode is fixed to its electrode strip, but at this point it is not electrically connected directly to the material of the heating element.

Die Entkopplung der Position der Anschlusselektrode von der Position der elektrischen Kontaktstelle ermöglicht es, die Anschlusselektrode entlang des Umfangs des Heizelements unabhängig von den Stellen der Stromeinleitung in das Heizelement zu platzieren und somit den vorhandenen Bauraum optimal zu nutzen.The decoupling of the position of the connection electrode from the position of the electrical contact point makes it possible to place the connection electrode along the circumference of the heating element independently of the points at which current is introduced into the heating element and thus make optimum use of the available installation space.

Selbstverständlich ist die Anschlusselektrode elektrisch leitend mit dem jeweiligen Elektrodenstreifen verbunden, beispielsweise durch eine Schweiß- oder Lötverbindung an einer Anschlussstelle auf der Fläche des Elektrodenstreifens. Diese Verbindung sorgt auch gleichzeitig für eine mechanische Fixierung der Anschlusselektrode am Elektrodenstreifen.Of course, the connection electrode is electrically conductively connected to the respective electrode strip, for example by a welded or soldered connection at a connection point on the surface of the electrode strip. At the same time, this connection ensures that the connection electrode is mechanically fixed to the electrode strip.

Normalerweise ist nur eine einzige Anschlusselektrode an dem zumindest einen Elektrodenstreifen angeordnet, da ohne weiteres der gesamte benötigte Stromfluss durch eine einzige Anschlusselektrode geleitet werden kann. Somit sind insgesamt zwei Anschlusselektroden zur Stromversorgung des Heizelements ausreichend.Normally, only a single connection electrode is arranged on the at least one electrode strip, since the entire current flow required can easily be conducted through a single connection electrode. A total of two connection electrodes are therefore sufficient for the power supply of the heating element.

Genauso ist vorzugsweise jeweils nur eine einzige elektrische Kontaktstelle am zumindest einen Elektrodenstreifen vorgesehen, über die der gesamte Strom zwischen Anschlusselektrode und Heizelement fließt. In der Regel ist ein gewundener Strompfad durch das Heizelement vorgegeben. Eine definierte Stromeinleitung ist daher notwendig, um das Heizelement gleichmäßig zu erwärmen.Likewise, only a single electrical contact point is preferably provided on the at least one electrode strip, via which the entire current flows between the connection electrode and the heating element. A tortuous current path through the heating element is usually specified. A defined current input is therefore necessary in order to heat the heating element evenly.

Da die elektrische Kontaktstelle von der Anschlusselektrode beabstandet ist, ist auch eine elektrisch leitende Verbindung von der elektrischen Kontaktstelle zum Heizelement räumlich von einer elektrisch leitenden Verbindung der Anschlusselektrode mit dem Elektrodenstreifen getrennt.Since the electrical contact point is spaced from the terminal electrode, an electrically conductive connection from the electrical contact point to the heating element is also spatially separated from an electrically conductive connection of the terminal electrode to the electrode strip.

Im Bereich der elektrischen Kontaktstelle weist der Elektrodenstreifen vorzugsweise eine Öffnung auf, an der das Material des Elektrodenstreifens elektrisch leitend mit dem Material des Heizelements verbunden ist. Diese elektrisch leitende Verbindung kann beispielsweise eine Schweiß- oder Lötverbindung sein. Über die elektrische Kontaktstelle ist der Elektrodenstreifen auch gleichzeitig mechanisch am Heizelement fixiert.In the area of the electrical contact point, the electrode strip preferably has an opening at which the material of the electrode strip is electrically conductively connected to the material of the heating element. This electrically conductive connection can be a welded or soldered connection, for example. At the same time, the electrode strip is mechanically fixed to the heating element via the electrical contact point.

Bevorzugt erstreckt sich der Elektrodenstreifen nur entlang des Umfangs des Heizelements, nicht aber auf dessen Fläche. Es wäre jedoch auch denkbar, elektrische Kontaktstellen auf der Fläche des Heizelements anzuordnen. Die Anschlussstellen der Anschlusselektroden liegen jedoch vorzugsweise stets entlang des Umfangs des Heizelements.The electrode strip preferably only extends along the circumference of the heating element, but not on its surface. However, it would also be conceivable to arrange electrical contact points on the surface of the heating element. However, the connection points of the connection electrodes are preferably always along the circumference of the heating element.

Der Elektrodenstreifen erwärmt sich durch den Stromfluss nur unwesentlich, da er einen viel geringeren elektrischen Widerstand aufweist als das Material des Heizelements. Beispielsweise bestehen Elektrodenstreifen aus einem Metallblech mit guter elektrische Leitfähigkeit. Um gegen Korrosion geschützt zu sein, wird beispielsweise ein Edelstahlblech verwendet.The electrode strip only heats up to an insignificant extent as a result of the current flow, since it has a much lower electrical resistance than the material of the heating element. For example, electrode strips consist of a sheet metal with good electrical conductivity. In order to be protected against corrosion, a stainless steel sheet is used, for example.

Die Anschlusselektrode ist vorzugsweise ein im Wesentlichen massiver Metallstift, der radial vom Elektrodenstreifen und vom Umfang des Heizelements absteht, wobei am freien Ende der Anschlusselektrode eine Option geschaffen ist, um elektrische Zuleitungen permanent anschließen zu können.The connection electrode is preferably a substantially solid metal pin which projects radially from the electrode strip and from the periphery of the heating element, with an option being created at the free end of the connection electrode in order to be able to permanently connect electrical leads.

In der Regel sind zwei Elektrodenstreifen mit jeweils einer Anschlusselektrode vorhanden. Andere Konfigurationen mit mehr Elektrodenstreifen wären gegebenenfalls auch denkbar. Die zwei Elektrodenstreifen liegen in Umfangsrichtung beabstandet zueinander entlang des Umfangs des Heizelements und sind elektrisch an jeweils einer Kontaktstelle mit dem Heizelement verbunden.As a rule, there are two electrode strips, each with a connection electrode. Other configurations with more electrode strips might also be conceivable. The two electrode strips are spaced apart from one another in the circumferential direction along the circumference of the heating element and are electrically connected to the heating element at a respective contact point.

Die elektrischen Kontaktstellen von zwei unterschiedlichen Elektrodenstreifen können sich diametral bezüglich des Heizelements gegenüberliegen. Bezüglich des Umfangs des Heizelements können die elektrischen Kontaktstellen also in einem 180°-Winkel angeordnet sein. So ist auf einfache Weise ein Strompfad realisierbar, der durch das gesamte Heizelement verläuft. Da die Position der Anschlusselektroden von der Position der elektrischen Kontaktstellen entkoppelt ist, können die Anschlusselektroden dennoch an anderer Stelle am Umfang, wo sie für eine elektrische Kontaktierung günstiger gelegen sind, angeordnet sein.The electrical contact points of two different electrode strips can be diametrically opposed with respect to the heating element. With respect to the circumference of the heating element, the electrical contact points can therefore be arranged at an angle of 180°. A current path that runs through the entire heating element can thus be implemented in a simple manner. Since the position of the connection electrodes is decoupled from the position of the electrical contact points, the connection electrodes can nevertheless be arranged at a different point on the circumference where they are more conveniently located for electrical contacting.

Das Heizelement ist beispielsweise so gestaltet, beispielsweise durch Unterbrechungen auf seiner Fläche, dass ein einziger, mäanderförmiger Strompfad existiert, der von einem Rand des Heizelements zu einem gegenüberliegenden Rand verläuft, wobei sich in diesen Randbereichen jeweils die elektrischen Kontaktstellen befinden.The heating element is designed, for example, by means of interruptions on its surface, so that there is a single, meandering current path that runs from one edge of the heating element to an opposite edge, with the electrical contact points being located in each of these edge regions.

Der gesamte Stromfluss zwischen den Anschlusselektroden verläuft stets durch das Heizelement.The entire current flow between the connection electrodes always runs through the heating element.

Zwei Anschlusselektroden unterschiedlicher Elektrodenstreifen sind beispielsweise bezogen auf den Umfang des Heizelements in einem Winkel kleiner als 60°, insbesondere in einem Winkel von 45°, zueinander angeordnet. Auf diese Weise können die elektrischen Anschlussleitungen im Wesentlichen parallel bis zum Heizelement verlegt werden, was die Leitungsführung und die Montage vereinfacht. Es sind auch noch kleinere Winkel möglich, wobei der Minimalabstand der Anschlusselektroden durch Form und Größe der Anschlusselektroden vorgegeben ist.Two connection electrodes of different electrode strips are arranged relative to one another, for example at an angle of less than 60°, in particular at an angle of 45°, with respect to the circumference of the heating element. In this way, the electrical connection lines can be laid essentially parallel to the heating element, which simplifies the line routing and assembly. Smaller angles are also possible, with the minimum distance between the connection electrodes being predetermined by the shape and size of the connection electrodes.

Der Elektrodenstreifen kann das Heizelement mit einem Umfangswinkel von 60 bis 120°, insbesondere in einem Winkel von 80°, umgeben. So lassen sich die Anschlusselektroden nahe beieinander anordnen, während die elektrischen Anschlussstellen diametral gegenüberliegen können.The electrode strip can surround the heating element at a circumferential angle of 60 to 120°, in particular at an angle of 80°. The connection electrodes can thus be arranged close to one another, while the electrical connection points can be diametrically opposed.

Sollen die elektrischen Kontaktstellen nicht bei 180° zueinander, sondern in einem anderen Winkel von den Anschlusselektroden entfernt liegen, könnten die Elektrodenstreifen einfach entsprechend in der Länge angepasst werden.If the electrical contact points should not be at 180° to each other, but at a different angle from the connection electrodes, the length of the electrode strips could simply be adjusted accordingly.

Alternativ zu zwei Elektrodenstreifen kann eine zweite Anschlusselektrode vorgesehen sein, welche direkt an das Heizelement in Umfangsrichtung mit Abstand zu der elektrischen Kontaktstelle des Elektrodenstreifens angeschweißt ist.As an alternative to two electrode strips, a second connection electrode can be provided, which is welded directly to the heating element in the circumferential direction at a distance from the electrical contact point of the electrode strip.

Um sicherzustellen, dass ein Stromfluss zwischen dem Elektrodenstreifen und dem Heizelement ausschließlich an der vorgesehenen elektrischen Kontaktstelle stattfindet, ist vorzugsweise eine zum Heizelement gerichtete Innenseite des Elektrodenstreifens mit Ausnahme der elektrischen Kontaktstelle gegenüber dem Heizelement elektrisch isoliert.In order to ensure that a current flow between the electrode strip and the heating element takes place exclusively at the electrical contact point provided, an inside of the electrode strip directed toward the heating element is preferably electrically insulated from the heating element, with the exception of the electrical contact point.

Im Bereich der elektrischen Kontaktstelle, beispielsweise der Öffnung im Elektrodenstreifen, durch die eine Verbindung mit dem Heizelement hergestellt ist, ist in der Regel keine elektrische Isolierung vorgesehen, um beispielsweise eine Schweißverbindung nicht zu beeinträchtigen.In the area of the electrical contact point, for example the opening in the electrode strip, through which a connection to the heating element is established, there is generally no electrical insulation, so as not to impair a welded connection, for example.

Die elektrische Isolierung ist vorzugsweise durch eine elektrisch isolierende Beschichtung auf dem zumindest einen Elektrodenstreifen gebildet. Die Beschichtung lässt sich einfach bereits bei der Fertigung des Elektrodenstreifens auf diesen aufbringen. Die Montage vereinfacht sich, wenn kein separates isolierendes Element zwischen Heizelement und Elektrodenstreifen verlegt werden muss.The electrical insulation is preferably formed by an electrically insulating coating on the at least one electrode strip. The coating can easily be applied to the electrode strip during its manufacture. Installation is simplified if no separate insulating element has to be laid between the heating element and the electrode strip.

In einer bevorzugten Variante besteht das Heizelement wie bereits eingangs beschrieben aus einem Metallschaum. Hier ist jeder geeignete offenporige, gasdurchlässige Metallschaum einsetzbar. Andere poröse und gasdurchlässige Strukturen, beispielsweise ein Blech- oder Drahtgitter, wären jedoch auch verwendbar.In a preferred variant, the heating element consists of a metal foam, as already described above. Any suitable open-pored, gas-permeable metal foam can be used here. However, other porous and gas-permeable structures, such as a sheet metal or wire grid, could also be used.

Die Breite des Elektrodenstreifens, also die Abmessung des Elektrodenstreifens in Axialrichtung, wenn dieser am Heizelement montiert ist, kann in etwa der axialen Höhe des Heizelements entsprechen, was bedeutet, dass sich der Elektrodenstreifen in etwa von 75 % bis 100% der Höhe des Heizelements erstrecken kann, gegebenenfalls auch darüber hinaus.The width of the electrode strip, i.e. the dimension of the electrode strip in the axial direction when it is mounted on the heating element, can correspond approximately to the axial height of the heating element, which means that the electrode strip extends from approximately 75% to 100% of the height of the heating element can, if necessary also beyond that.

Es hat sich aber herausgestellt, dass für die elektrische Kontaktstelle zum Heizelement, insbesondere für die zur elektrischen und mechanischen Verbindung genutzte Öffnung, ein Durchmesser, der etwa einem Drittel der Breite des Elektrodenstreifens entspricht, ausreichend ist.However, it has been found that a diameter which corresponds to approximately one third of the width of the electrode strip is sufficient for the electrical contact point to the heating element, in particular for the opening used for the electrical and mechanical connection.

In einer möglichen Variante, in der das Heizelement von seiner Umfangsfläche nach innen weisende Unterbrechungen aufweist, die einen Strompfad durch das Heizelement definieren, ist in zumindest einer der Unterbrechungen ein nach innen von dem zumindest einen Elektrodenstreifen abstehender, elektrisch isolierender Abstandshalter angeordnet. Der Abstandshalter dient dazu, die Unterbrechung offenzuhalten und Berührungen von benachbarten Abschnitten des Heizelements zu verhindern. In den Unterbrechungen ist das Heizelement daher axial vollständig durchtrennt, während radial ein Teil des Materials des Heizelements stehen bleibt.In a possible variant, in which the heating element has interruptions pointing inwards from its peripheral surface and defining a current path through the heating element, an electrically insulating spacer protruding inwards from the at least one electrode strip is arranged in at least one of the interruptions. The spacer serves to keep the break open and prevent contact from adjacent portions of the heating element. The heating element is therefore completely severed axially in the interruptions, while part of the material of the heating element remains radially.

Die Unterbrechungen können sich in der Ebene des Heizelements geradlinig und/oder gekrümmt erstrecken, sodass ein spiral- oder mäanderförmig verlaufender Strompfad gebildet ist. Der so definierte Strompfad ist deutlich länger als der Durchmesser des Heizelements, was zu einer höheren Heizleistung und damit zu einer gleichmäßigen Erwärmung des Heizelements und folglich des zu behandelnden Abgases führt.The interruptions can extend in a straight line and/or in a curved manner in the plane of the heating element, so that a current path running in a spiral or meandering manner is formed. The current path defined in this way is significantly longer than the diameter of the heating element, which leads to a higher heat output and thus to uniform heating of the heating element and consequently of the exhaust gas to be treated.

Die Abstandshalter können einstückig mit dem Elektrodenstreifen ausgebildet sein und wie dieser mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung versehen sein, die vorzugsweise die gesamte Innenseite des Elektrodenstreifens inklusive der Abstandshalter (mit Ausnahme der elektrischen Kontaktstelle) überzieht.The spacers can be formed in one piece with the electrode strip and, like the latter, be provided with an electrically insulating coating that preferably covers the entire inside of the electrode strip, including the spacers (with the exception of the electrical contact point).

Das Heizelement kann an seiner Umfangsfläche im Bereich des zumindest einen Elektrodenstreifens radiale Vertiefungen aufweisen, die den zugeordneten Elektrodenstreifen aufnimmt, sodass der Durchmesser der Heizvorrichtung durch den Elektrodenstreifen nicht vergrößert wird und somit die Heizvorrichtung kompakt gehalten werden kann.The heating element can have radial depressions on its peripheral surface in the area of the at least one electrode strip, which receives the associated electrode strip, so that the diameter of the heating device is not increased by the electrode strip and the heating device can thus be kept compact.

Die Elektrodenstreifen lassen sich einfach in der gewünschten Länge, gegebenenfalls inklusive der Abstandshalter, mit der Beschichtung auf der Innenseite und optional einer Öffnung für die elektrische Kontaktstelle vorfertigen, wobei vorzugsweise auch bereits die Anschlusselektrode am Elektrodenstreifen montiert wird, sodass der Elektrodenstreifen zusammen mit der Anschlusselektrode durch Herstellen der Verbindung an der elektrischen Kontaktstelle am Heizelement montiert werden kann.The electrode strips can be easily prefabricated in the desired length, including the spacers if necessary, with the coating on the inside and optionally an opening for the electrical contact point, with the connection electrode preferably already being mounted on the electrode strip so that the electrode strip together with the connection electrode can pass through Establishing the connection at the electrical contact point can be mounted on the heating element.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand zweier Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die beigefügten Figuren näher beschrieben. In den Figuren zeigen:

- 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen elektrischen Heizvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform;
- 2 eine schematische Darstellung eines Elektrodenstreifens der Heizvorrichtung aus 1;
- 3 eine schematische Seitenansicht des Heizelements aus 1;
- 4 eine schematische Schnittansicht des Heizelements aus 1; und
- 5 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen elektrischen Heizvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform.

The invention is described in more detail below using two exemplary embodiments with reference to the accompanying figures. In the figures show:

- 1 a schematic representation of an electrical heating device according to the invention according to a first embodiment;
- 2 a schematic representation of an electrode strip of the heating device 1 ;
- 3 a schematic side view of the heating element 1 ;
- 4 a schematic sectional view of the heating element 1 ; and
- 5 a schematic representation of an electrical heating device according to the invention according to a second embodiment.

Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind nicht immer alle identischen Komponenten mit Bezugszeichen versehen. Gleiche Bezugszeichen oder ebenso Bezugszeichen mit und ohne Apostroph in denselben oder in unterschiedlichen Ausführungsformen benennen identische oder im Wesentlichen identische Komponenten und Bauteile.For reasons of clarity, not all identical components are always provided with reference numbers. The same reference symbols or likewise reference symbols with and without an apostrophe in the same or in different embodiments denote identical or essentially identical components and parts.

1 zeigt eine elektrische Heizvorrichtung 10 eines nicht näher dargestellten Abgassystems eines Fahrzeugs gemäß einer ersten Ausführungsform. 1 shows an electric heating device 10 of an exhaust system of a vehicle, not shown in detail, according to a first embodiment.

Die Heizvorrichtung 10 umfasst ein elektrisches Heizelement 12 aus einem offenporigen Metallschaum. Das Heizelement 12 ist scheibenförmig, d.h., sein Durchmesser ist größer als seine axiale Länge. Die entgegengesetzten Stirnseiten der Scheibe sind in einer Axialrichtung A um eine Höhe h des Heizelements 12 beabstandet (siehe 4).The heating device 10 includes an electric heating element 12 made of an open-pore metal foam. The heating element 12 is disc-shaped, ie its diameter is greater than its axial length. The opposite faces of the disk are spaced in an axial direction A by a height h of the heating element 12 (see Fig 4 ).

Im in einer Abgasleitung montierten Zustand ist das Heizelement 12 quer zum Abgasstrom angeordnet, sodass das Abgas durch die Stirnseiten strömt.When installed in an exhaust gas line, the heating element 12 is arranged transversely to the exhaust gas flow, so that the exhaust gas flows through the end faces.

Die Heizvorrichtung 10 ist dazu vorgesehen, in einer Abgasleitung eines Abgassystems eines Fahrzeugs angeordnet zu werden, z.B. stromaufwärts eines Katalysators, um das sie durchströmende Abgas beim Kaltstart aufzuheizen und den Katalysator schnell auf seine Betriebstemperatur zu bringen. Der Durchmesser der Heizvorrichtung 10 (inklusive einer nicht dargestellten Halterung) füllt den Querschnitt des Abgasrohres im Wesentlichen aus. Strömt das Abgas durch das Heizelement 12, während dieses von Strom durchflossen und dadurch erhitzt wird, gibt es Wärme an das Abgas ab und erhitzt dieses.The heating device 10 is provided in an exhaust pipe of an exhaust system of a Vehicle to be arranged, for example, upstream of a catalyst to heat the exhaust gas flowing through them during cold starts and to bring the catalyst quickly to its operating temperature. The diameter of the heating device 10 (including a holder, not shown) essentially fills the cross section of the exhaust pipe. If the exhaust gas flows through the heating element 12 while current is flowing through it and is being heated thereby, it gives off heat to the exhaust gas and heats it up.

Außerdem umfasst die Heizvorrichtung 10 mehrere, hier genau zwei, Elektrodenstreifen 16, 16' (siehe auch 2 und 3), die entlang einer Umfangsfläche 17 des Heizelements 12 verlaufen und an diesem befestigt sind. Die Elektrodenstreifen 16, 16' sind hier aus einem Metallblech, beispielsweise aus Edelstahl, gefertigt.In addition, the heating device 10 comprises a plurality of, here exactly two, electrode strips 16, 16' (see also 2 and 3 ), which run along a peripheral surface 17 of the heating element 12 and are attached to it. The electrode strips 16, 16' are here made from sheet metal, for example high-grade steel.

An jedem der beiden Elektrodenstreifen 16, 16' ist jeweils eine Anschlusselektrode 18, 18' elektrisch leitend fixiert, die an einem freien Ende über eine geeignete Anschlussstruktur 19, 19' mit einer nicht näher dargestellten Stromversorgung verbindbar ist, um elektrischen Strom durch das Heizelement 12 zu leiten und dieses so zu erwärmen. Die Anschlusselektrode 18, 18' ist über eine elektrisch leitende Verbindung mechanisch am Elektrodenstreifen 16, 16' fixiert, beispielsweise durch eine Schweißverbindung. Diese Verbindung erfolgt hier an einer auf der Fläche des Elektrodenstreifens 16, 16` liegende Anschlussstelle 21, 21' an einer Außenseite des Elektrodenstreifens 16, 16', die im montierten Zustand radial vom Heizelement 12 weg weist. Daher steht die Anschlusselektrode 18, 18' im montierten Zustand in Radialrichtung r vom Elektrodenstreifen 16, 16' nach außen ab.A connection electrode 18, 18' is fixed in an electrically conductive manner on each of the two electrode strips 16, 16', which can be connected at a free end via a suitable connection structure 19, 19' to a power supply (not shown in detail) in order to supply electric current through the heating element 12 to conduct and to heat it up. The connection electrode 18, 18' is fixed mechanically to the electrode strip 16, 16' via an electrically conductive connection, for example by a welded connection. This connection is made here at a connection point 21, 21' lying on the surface of the electrode strip 16, 16' on an outside of the electrode strip 16, 16', which points radially away from the heating element 12 in the assembled state. The connecting electrode 18, 18' therefore protrudes outwards in the radial direction r from the electrode strip 16, 16' in the assembled state.

Der Stromfluss durch die Heizvorrichtung 10 folgt einem vorgegebenen Strompfad von einer der Anschlusselektroden 18, 18` durch den Elektrodenstreifen 16, 16' in das Heizelement 12 und durch dieses zum anderen Elektrodenstreifen 16, 16' und zur anderen Anschlusselektrode 18, 18'. Der Strompfad ist in 1 durch Pfeile skizziert.The current flow through the heating device 10 follows a predetermined current path from one of the connection electrodes 18, 18' through the electrode strip 16, 16' into the heating element 12 and through this to the other electrode strip 16, 16' and to the other connection electrode 18, 18'. The current path is in 1 outlined by arrows.

Der Strompfad durch das Heizelement 12 ist durch Unterbrechungen 20 im Metallschaum definiert. Die Unterbrechungen 20 isolieren benachbarte Bereiche elektrisch gegeneinander und geben so den Weg des elektrischen Stroms durch das Heizelement 12 vor.The current path through the heating element 12 is defined by interruptions 20 in the metal foam. The breaks 20 electrically insulate adjacent areas from one another and thus define the path of the electric current through the heating element 12 .

Die Unterbrechungen 20 sind hier schlitzförmig und parallel, wobei das Heizelement 12 an den Unterbrechungen 20 axial vollständig durchtrennt ist, aber an keiner Stelle radial komplett unterbrochen ist. An wechselseitig gegenüberliegenden Randabschnitten bleibt eine durchgehende Verbindung bestehen, sodass das Heizelement 12 ein einstückiges Bauteil mit einer Mäanderstruktur ist. In diesem Beispiel ergibt sich daher ein mäanderförmiger Strompfad durch das Heizelement 12.The interruptions 20 are slot-shaped and parallel here, with the heating element 12 being completely severed axially at the interruptions 20 but not being completely interrupted radially at any point. A continuous connection remains on mutually opposite edge sections, so that the heating element 12 is a one-piece component with a meander structure. In this example, there is therefore a meandering current path through the heating element 12.

Selbstverständlich könnten die Unterbrechungen 20 im Heizelement 12 auch in anderer Form gewählt sein, sodass sich beispielsweise ein spiralförmig gewundener Strompfad ergibt (nicht dargestellt).Of course, the interruptions 20 in the heating element 12 could also be selected in a different form so that, for example, a spirally wound current path results (not shown).

Jeder der beiden Elektrodenstreifen 16, 16' weist an einem ersten Längsende 22, 22' eine Anschlusselektrode 18, 18' auf und am entgegengesetzten Längsende 24, 24' eine Öffnung 26, 26', die zur Herstellung einer elektrischen Kontaktstelle 28, 28' des Elektrodenstreifens 16, 16' mit dem Heizelement 12 dient. Die Anschlusselektrode 18 und elektrische Kontaktstelle 28, 28' sind durch den Großteil der Länge I des Elektrodenstreifens 16, 16' voneinander beabstandet. Dies zeigt im Detail 2.Each of the two electrode strips 16, 16' has a connecting electrode 18, 18' at a first longitudinal end 22, 22' and an opening 26, 26' at the opposite longitudinal end 24, 24', which is used to produce an electrical contact point 28, 28' of the Electrode strip 16, 16 'with the heating element 12 is used. The terminal electrode 18 and electrical contact point 28, 28' are spaced from each other by the majority of the length I of the electrode strip 16, 16'. This shows in detail 2 .

Die Öffnung 26, 26' hat hier etwa einen Durchmesser von einem Drittel einer Breite b des Elektrodenstreifens 16, 16', die Abmessungen liegen aber im Ermessen des Fachmanns.The opening 26, 26' here has a diameter of approximately one third of a width b of the electrode strip 16, 16', but the dimensions are at the discretion of the person skilled in the art.

Die Breite b ist hier so gewählt, dass sie in etwa einer Höhe h des Heizelements 12 entspricht (siehe 3). Sie könnte aber auch etwas kleiner oder größer sein, z.B. etwa mit 25 % Abweichung.The width b is selected here so that it approximately corresponds to a height h of the heating element 12 (see FIG 3 ). However, it could also be somewhat smaller or larger, for example with a deviation of around 25%.

Die Länge I des Elektrodenstreifens 16, 16' ist hier so gewählt, dass der Elektrodenstreifen 16 das Heizelement 12 über einen Umfangswinkel α von ungefähr 80° umgibt, wenn der Elektrodenstreifen 16, 16' an die Umfangsfläche 17 des Heizelements 12 angelegt ist. Andere Abmessungen sind auch möglich, beispielsweise könnte die Länge I so gewählt sein, dass ein Umfangswinkel von 60° bis 120° abgedeckt ist (siehe 1).The length I of the electrode strip 16, 16' is selected here such that the electrode strip 16 surrounds the heating element 12 over a circumferential angle α of approximately 80° when the electrode strip 16, 16' is placed against the circumferential surface 17 of the heating element 12. Other dimensions are also possible, for example the length I could be chosen so that a circumferential angle of 60° to 120° is covered (see Fig 1 ).

Um den Elektrodenstreifen 16, 16' mit Ausnahme der elektrischen Kontaktstelle 28, 28' gegenüber dem Heizelement 12 elektrisch zu isolieren, ist hier eine elektrisch nicht leitende Beschichtung 30 an der im montierten Zustand zum Heizelement 12 weisenden Innenseite 32, 32' des Elektrodenstreifens 16, 16' aufgebracht. Diese Beschichtung 30 ist fest mit dem Material 33 des Elektrodenstreifens 16, 16' verbunden und wird während der Fertigung des Elektrodenstreifens 16, 16' auf diesen aufgebracht. Dies ist in 4 (nicht maßstabsgetreu) anhand des Elektrodenstreifens 16 gezeigt, wobei der zweite Elektrodenstreifen 16' ebenso ausgebildet ist. Lediglich der Bereich um die Öffnung 26, 26' ist gegebenenfalls freigelassen, um eine gute elektrische Verbindung des Elektrodenstreifens 16, 16' mit dem Heizelement 12 zu ermöglichen.In order to electrically insulate the electrode strip 16, 16' with the exception of the electrical contact point 28, 28' from the heating element 12, an electrically non-conductive coating 30 is here on the inner side 32, 32' of the electrode strip 16, which faces towards the heating element 12 in the installed state. 16' applied. This coating 30 is firmly connected to the material 33 of the electrode strip 16, 16' and is applied to the electrode strip 16, 16' during its manufacture. this is in 4 (not true to scale) with reference to the electrode strip 16, the second electrode strip 16' being formed in the same way. Only the area around the opening 26, 26' is optionally left free in order to enable a good electrical connection between the electrode strip 16, 16' and the heating element 12.

Beide Elektrodenstreifen 16, 16' sind hier identisch ausgebildet.Both electrode strips 16, 16' are of identical design here.

Zur Herstellung der Heizvorrichtung 10 werden die beiden Elektrodenstreifen 16, 16' in spiegelbildlicher Anordnung an die Umfangsfläche 17 des Heizelements 12 angelegt, sodass sich die Öffnungen 26, 26' am Heizelement 12 z.B. diametral gegenüberliegen. Mit ihrer Längserstreckung I liegen die Elektrodenstreifen 16, 16' jetzt entlang der Umfangsrichtung U des Heizelements 12, während ihre Breitseite parallel zur axialen Höhe h des Heizelements 12 angeordnet ist. Jeder Elektrodenstreifen 16, 16' deckt über den Umfangswinkel β die Umfangsfläche des Heizelements 12 ab.To produce the heating device 10, the two electrode strips 16, 16' are placed in a mirror-inverted arrangement on the peripheral surface 17 of the heating element 12, so that the openings 26, 26' on the heating element 12 are diametrically opposite one another, for example. The electrode strips 16 , 16 ′ now lie with their longitudinal extent I along the circumferential direction U of the heating element 12 , while their broad side is arranged parallel to the axial height h of the heating element 12 . Each electrode strip 16, 16' covers the circumferential surface of the heating element 12 over the circumferential angle β.

In Umfangsrichtung U sind die beiden Elektrodenstreifen 16, 16' voneinander beabstandet, sodass sie nicht in direktem elektrischen Kontakt miteinander sind.The two electrode strips 16, 16' are spaced apart from one another in the circumferential direction U, so that they are not in direct electrical contact with one another.

Dann werden die beiden Elektrodenstreifen 16, 16' elektrisch und mechanisch mit dem Heizelement 12 verbunden, hier, indem durch die Öffnung 26, 26' eine Schweißverbindung mit dem Material des Heizelements 12 hergestellt wird. Die so entstandene Kontaktstelle 28, 28' erlaubt zum einen einen Stromfluss zwischen dem Elektrodenstreifen 16, 16' und dem Heizelement 12 und fixiert zum anderen den Elektrodenstreifen 16, 16' mechanisch am Heizelement 12. Pro Elektrodenstreifen 16, 16' ist hier nur eine einzige Kontaktstelle 28, 28' vorhanden.Then the two electrode strips 16, 16' are electrically and mechanically connected to the heating element 12, in this case by a welded connection being produced with the material of the heating element 12 through the opening 26, 26'. The resulting contact point 28, 28' allows current to flow between the electrode strip 16, 16' and the heating element 12 and also mechanically fixes the electrode strip 16, 16' to the heating element 12. There is only one contact point per electrode strip 16, 16' Contact point 28, 28' available.

Die beiden Elektrodenstreifen 16, 16' sind jetzt so angeordnet, dass die beiden Anschlusselektroden 18, 18' hier in einem Umfangswinkel β von etwa 45° zueinander benachbart an der Umfangsfläche 17 des Heizelements 12 liegen, wie 1 zeigt. Der Winkel β ist frei und unabhängig von der Position der Kontaktstellen 28, 28' und dem Winkel α wählbar, indem die Länge I und die Position der Elektrodenstreifen 16, 16' am Umfang des Heizelements 12 entsprechend angepasst werden.The two electrode strips 16, 16' are now arranged in such a way that the two connection electrodes 18, 18' lie adjacent to one another at a circumferential angle β of approximately 45° on the circumferential surface 17 of the heating element 12, such as 1 shows. The angle β can be selected freely and independently of the position of the contact points 28, 28' and the angle α by adjusting the length I and the position of the electrode strips 16, 16' on the circumference of the heating element 12 accordingly.

Abgesehen von den Kontaktstellen 28, 28' ist hier keine mechanische und elektrische Verbindung der Elektrodenstreifen 16, 16' zum Heizelement 12 vorgesehen.Apart from the contact points 28, 28', no mechanical or electrical connection of the electrode strips 16, 16' to the heating element 12 is provided here.

In den Bereichen, in denen die Elektrodenstreifen 16, 16' verlaufen, weist das Heizelement 12 an seiner Umfangsfläche 17 jeweils eine radiale Vertiefung 36, 36' auf, deren Tiefe einer Dicke d des Elektrodenstreifens 16, 16' entspricht, sodass die Längsenden 22, 24, 22', 24` des jeweiligen Elektrodenstreifens 16, 16` radial nicht über das Heizelement 12 überstehen. Dies ist in 1 angedeutet.In the areas in which the electrode strips 16, 16' run, the heating element 12 has a radial depression 36, 36' on its peripheral surface 17, the depth of which corresponds to a thickness d of the electrode strip 16, 16', so that the longitudinal ends 22, 24, 22', 24` of the respective electrode strip 16, 16` do not protrude radially beyond the heating element 12. this is in 1 implied.

Elektrischer Strom, der durch eine der Anschlusselektroden 18, 18' eingeleitet wird, fließt zunächst ausschließlich entlang des zugeordneten Elektrodenstreifens 16, 16', da dessen Innenseite 32, 32' gegenüber dem Heizelement 12 elektrisch isoliert ist, bis zur Kontaktstelle 28, 28' des anderen Elektrodenstreifens 16, 16'. Von dort fließt der Strom dem vorgegebenen Strompfad folgend mäanderförmig durch das Heizelement 12 bis zur gegenüberliegenden Kontaktstelle 28, 28' des anderen Elektrodenstreifens 16, 16' und erwärmt dabei das Heizelement 12. Von der Kontaktstelle 28, 28' fließt der Strom ausschließlich durch den anderen Elektrodenstreifen 16, 16' zur anderen Anschlusselektrode 18, 18'.Electrical current, which is introduced through one of the connection electrodes 18, 18', initially flows exclusively along the associated electrode strip 16, 16', since its inner side 32, 32' is electrically insulated from the heating element 12, up to the contact point 28, 28' of the other electrode strips 16, 16'. From there, the current flows meandering along the specified current path through the heating element 12 to the opposite contact point 28, 28' of the other electrode strip 16, 16', thereby heating the heating element 12. From the contact point 28, 28', the current flows exclusively through the other Electrode strips 16, 16' to the other connection electrode 18, 18'.

5 zeigt eine zweite Ausführungsform, bei der im einzigen Unterschied zur gerade beschriebenen Ausführungsform an der zum Heizelement 12 weisenden Innenseite 32, 32' des Elektrodenstreifens 16, 16' eine oder mehrere nach innen abstehende Abstandshalter 38, 38' angeordnet sind, die jeweils in eine der Unterbrechungen 20 randseitig hineinragen und so die Form des Heizelements 12 stabilisieren. 5 shows a second embodiment in which, in the only difference to the embodiment just described, one or more inwardly protruding spacers 38, 38' are arranged on the inner side 32, 32' of the electrode strip 16, 16' facing the heating element 12, each of which is inserted into one of the Interruptions 20 protrude at the edge and thus stabilize the shape of the heating element 12 .

Die Abstandshalter 38, 38' sind gegenüber dem Heizelement 12 isoliert, sodass an dieser Stelle kein zusätzlicher Stromfluss in das Heizelement 12 hinein erfolgt. Die Isolierung ist hier durch eine durchgängige Beschichtung 30 an der Innenseite 32, 32' des Elektrodenstreifens 16,16' (mit Ausnahme der Kontaktstelle 28, 28`) realisiert.The spacers 38, 38' are insulated from the heating element 12, so that no additional current flow into the heating element 12 takes place at this point. The insulation is implemented here by a continuous coating 30 on the inside 32, 32' of the electrode strip 16, 16' (with the exception of the contact point 28, 28').

Im gezeigten Beispiel ist nur ein einziger Abstandshalter 38, 38' pro Elektrodenstreifen 16, 16' vorgesehen, da die Elektrodenstreifen 16, 16' hier so angeordnet sind, dass sich nur eine einzige der Unterbrechungen 20 im Bereich des Elektrodenstreifens 16 bis zum Rand des Heizelements 12 erstreckt. Bei einer anderen Konfiguration können auch mehrere Abstandshalter 38, 38' vorgesehen sein, insbesondere ein Abstandshalter 38, 38' für jede Unterbrechung 20, der im Bereich des Elektrodenstreifens 16, 16' bis an den Rand des Heizelements 12 reicht.In the example shown, only a single spacer 38, 38' is provided per electrode strip 16, 16', since the electrode strips 16, 16' are arranged here in such a way that only one of the interruptions 20 in the area of the electrode strip 16 extends to the edge of the heating element 12 extends. In another configuration, several spacers 38, 38' can also be provided, in particular one spacer 38, 38' for each interruption 20, which extends to the edge of the heating element 12 in the area of the electrode strip 16, 16'.

Ansonsten sind Aufbau und Funktion der Heizvorrichtung 10 nach der zweiten Ausführungsform identisch zu der oben beschriebenen ersten Ausführungsform.Otherwise, the structure and function of the heating device 10 according to the second embodiment are identical to the first embodiment described above.

Alternativ zu zwei Elektrodenstreifen 16, 16' kann der zweite Elektrodenstreifen 16' entfallen. Dafür ist die zweite Anschlusselektrode 18` direkt an das Heizelement 12 in Umfangsrichtung mit Abstand zu der elektrischen Kontaktstelle 28 des Elektrodenstreifens 16 angeschweißt, z.B. diametral zur Kontaktstelle 28. Vorzugsweise wird die Anschlusselektrode 18` am Umfang des Heizelements 12 an diesen angeschweißt.As an alternative to two electrode strips 16, 16', the second electrode strip 16' can be omitted. For this purpose, the second connection electrode 18' is welded directly to the heating element 12 in the circumferential direction at a distance from the electrical contact point 28 of the electrode strip 16, e.g. diametrically to the contact point 28. The connection electrode 18' is preferably welded to the circumference of the heating element 12.

Claims

Electrical heating device of an exhaust system with a disc-shaped, porous, current-carrying heating element (12), which is intended to be arranged in an exhaust gas flow and to be flown through axially by the exhaust gas flow, and at least one electrode strip (16) to which a current-carrying connection electrode (18) is attached wherein the electrode strip (16) is disposed in the region of the periphery of the heating element (12) and is electrically connected to the heating element (12) at an electrical contact point (28) in order to conduct electrical current through the heating element (12), the The connection electrode (18) is arranged on the electrode strip (16) at a distance from the electrical contact point (28) with respect to the circumferential direction (U), and the connection electrode (18) is at a first longitudinal end (22) and the electrical contact point (28) is at an opposite end second longitudinal end (24) of the electrode strip (16) is arranged.

Electric heater after claim 1 , wherein two electrode strips (16) are arranged spaced apart from one another in the circumferential direction (U) along the circumference of the heating element (12) and are each electrically connected to the heating element (12) at a contact point (28), in particular the electrical contact points (28) of two different electrode strips (16) are diametrically opposed.

Electric heater after claim 2 , wherein two connection electrodes (18) of different electrode strips (16) are arranged at an angle (β) of less than 60°, in particular at an angle of 45°, relative to the circumferential direction (U) of the heating element (12).

Electrical heating device according to any one of claims 2 and 3 , wherein the electrode strip (16) surrounds the heating element (16) at a circumferential angle (α) of 60°-120°, in particular at a circumferential angle (α) of 80°.

Electric heater after claim 1 A second connection electrode is provided, which is welded directly to the heating element (12) in the circumferential direction (U) at a distance from the electrical contact point (28) of the electrode strip (16).

Electrical heating device according to one of the preceding claims, wherein an inner side (32) of the at least one electrode strip (16) facing the heating element (12) is electrically insulated from the heating element (12) with the exception of the electrical contact point (28).

Electric heater after claim 6 , wherein the electrical insulation is formed by an electrically insulating coating (30) on the at least one electrode strip (16).

Electrical heating device according to one of the preceding claims, in which the heating element (12) consists of a metal foam.

Electrical heating device according to one of the preceding claims, wherein a width (b) of the at least one electrode strip (16) corresponds to an axial height (h) of the heating element (12).

Electrical heating apparatus according to any one of the preceding claims, wherein the heating element (12) has discontinuities (20) pointing inwardly from its peripheral surface which define a current path through the heating element (12), and in at least one of the discontinuities (20) an inwardly of an electrically insulating spacer (38) protruding from the at least one electrode strip (16).

Electrical heating device according to one of the preceding claims, wherein the heating element (12) has at least one radial depression (36) on its peripheral surface (17) in the region of the at least one electrode strip (16), which receives the associated electrode strip (16).