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Die Erfindung betrifft eine Heizvorrichtung für ein Abgassystem eines Kraftfahrzeugs, mit einer Abgasleitung, einem darin angeordneten, Abgas durchströmbaren Heizelement, das quer zum Abgasstrom ausgerichtet ist, und zumindest einer axial vom Heizelement versetzten, sich durch die Abgasleitung erstreckenden Stützstrebe für das Heizelement, wobei die Stützstrebe auf einer Stirnseite des Heizelements angeordnet ist. Die Heizvorrichtung hat außerdem eine Haltevorrichtung, die ausgebildet ist, das Heizelement in der Abgasleitung zu befestigen, wobei die Haltevorrichtung zumindest einen ersten Klemmring und einen ersten ringförmigen Boden aufweist, zwischen denen die Stützstrebe geklemmt ist.
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Ferner betrifft die Erfindung ein Abgassystem mit einer solchen Heizvorrichtung.
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In Abgassystemen von Kraftfahrzeugen mit einem Verbrennungsmotor sind üblicherweise Katalysatoren vorgesehen, um die Emissionen des Verbrennungsmotors zu reduzieren. Damit eine katalytische Oxidation unmittelbar nach einem Kaltstart optimal ablaufen kann, ist es bekannt, elektrische Heizvorrichtungen in Form von elektrischen Widerstandsheizungen vorzusehen, die den Katalysator auf eine Reaktionstemperatur erwärmen.
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Des Weiteren kann eine solche abgasdurchströmte Heizvorrichtung vorgesehen sein, die stromaufwärts des Katalysators angeordnet ist und die eingerichtet ist, das Abgas zu erwärmen, bevor es den Katalysator durchströmt. Derartige Heizvorrichtung in Abgassystemen sind beispielsweise mit zumindest einer Stützstrebe ausgestattet, um das Heizelement vor allem in axialer Richtung der Heizvorrichtung zu stützen. Dies ist insbesondere deswegen erforderlich, weil die Heizvorrichtungen im Betrieb hohen mechanischen und thermischen Belastungen ausgesetzt ist. Einerseits belasten der hohe Massenstrom des Abgases und Vibrationen des Fahrzeugs die Heizvorrichtung mechanisch. Andererseits ist die Heizvorrichtung starken Temperaturschwankungen und Vibrationen im Fahrzeug ausgesetzt, die die Heizvorrichtung zusätzlich mechanisch belasten.
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Dabei hat es sich als nachteilig herausgestellt, dass durch die derzeitigen Heizvorrichtungen ein erheblicher Anteil der Heizleistung nicht dem Abgasstrom zugeführt wird, sondern als Abwärme an die Umgebung der Heizvorrichtung abgegeben wird. Zudem ist es bei bekannten Heizvorrichtungen oft schwierig, eine elektrische Isolierung von stromführenden Bauteilen der Heizvorrichtung bei verschiedenen Betriebsbedingungen zu gewährleisten und dabei gleichzeitig die Heizvorrichtung im Betrieb nicht zu schädigen.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrische Heizvorrichtung bereitzustellen, mit der die Energieeffizienz verbessert wird. Gleichzeitig soll ein sicherer Betrieb der Heizvorrichtung gewährleistet werden.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Heizvorrichtung der eingangs genannten Art, mit zumindest einem ersten elektrisch und/oder thermisch isolierenden Element, das in axialer Richtung der Heizvorrichtung zwischen zumindest einem Klemmabschnitt der Stützstrebe und der Haltevorrichtung angeordnet ist. Das erste elektrisch und/oder thermisch isolierende Element beabstandet dabei die Stützstrebe von der Haltevorrichtung in axialer Richtung der Heizvorrichtung. Außerdem sind der Klemmabschnitt und das erste elektrisch und/oder thermisch isolierende Element zwischen dem ersten Klemmring und dem ersten Boden geklemmt.
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Der Grundgedanke der Erfindung ist es, dass die vom Abgasstrom aufgeheizte Stützstrebe durch das erste elektrisch und/oder thermisch isolierende Element von der Haltevorrichtung elektrisch und thermisch entkoppelt ist, sodass weniger Wärme von der Stützstrebe an die Haltevorrichtung abgeleitet wird. Dabei wird die Stützstrebe lediglich durch Klemmung in axialer Richtung von der Haltevorrichtung getragen und somit innerhalb der Heizvorrichtung fixiert. Gleichzeitig wird die Sicherheit erhöht, da die Stützstrebe von der Haltevorrichtung elektrisch isoliert ist.
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Die thermische Isolierung ist insbesondere dann besonders relevant, wenn die Stützstrebe in Richtung des Abgasstroms hinter dem Heizelement angeordnet ist, da die Wärmeübertragung dann nicht nur hauptsächlich durch Wärmestrahlung, sondern viel mehr auch durch Konvektion des erwärmten Abgasstroms auf die Stützstrebe erfolgt. Das elektrisch und/oder thermisch isolierende Element hat folglich eine Wärmeleitfähigkeit, die geringer ist als die der Stützstrebe, insbesondere maximal 40% der der Stützstrebe ist.
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Vorteilhafterweise hat die Stützstrebe in einer Draufsicht die Form eines doppel-T und die Querstreben des doppel-T bilden die Klemmabschnitte. Dadurch wird eine sichere Klemmung ermöglicht. Insbesondere können die Querstreben an deren axialen Seiten flächig ausgeführt sein, damit die Klemmkraft großflächig in die Klemmabschnitte eingeleitet werden kann.
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Insbesondere weist die Stützstrebe einen dünnwandigen Profilquerschnitt, beispielsweise in Form eines U-Profils, auf, wodurch eine besonders hohe Biegesteifigkeit bei einem gleichzeitig geringen Gewicht erreicht wird.
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Gemäß einer Ausgestaltung ist das erste elektrisch und/oder thermisch isolierende Element aus einem Keramikwerkstoff oder einer Hochtemperaturwolle, insbesondere einer Hochtemperatur-Fasermatte, gebildet. Diese Werkstoffe sind beide sowohl sehr gute thermische als auch sehr gute elektrische Leiter. Der Keramikwerkstoff eignet sich besonders zur Bildung eines Gleitsitzes, da er nur wenig verschleißt und gute Gleiteigenschaften aufweist. Aufgrund der guten Kompressibilität der Hochtemperaturwolle hat diese den zusätzlichen Vorteil, dass die Klemmkraft gleichmäßiger in die Stützstrebe eingeleitet werden kann. Außerdem können dadurch unterschiedliche Wärmeausdehnungen und lokal unterschiedliche Belastungen kompensiert werden.
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Insbesondere können sämtliche in dieser Anmeldung behandelten Hochtemperatur-Fasermatten beispielsweise eine Hochtemperaturglaswolle (HTGW) und/oder Keramikfasern umfassen.
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Ein Aspekt der Erfindung sieht vor, dass die Haltevorrichtung einen Tragrahmen hat, der das Heizelement am Außenumfang umfangsmäßig umgibt, und die Stützstrebe radial vom Tragrahmen beabstandet ist. Dabei wird ein Schiebesitz am ersten elektrisch und/oder thermisch isolierenden Element gebildet, der eine Ausdehnung der Stützstrebe entlang ihrer Längsrichtung relativ zur Haltevorrichtung aufgrund der Erwärmung im Betrieb der Heizvorrichtung erlaubt. Die Beabstandung sorgt außerdem dafür, dass die Stützstrebe auch radial permanent vom Tragrahmen getrennt ist, um auch in radialer Richtung eine thermische Isolation zu schaffen.
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Gemäß einer Ausführungsform verläuft das erste elektrisch und/oder thermisch isolierende Element am Außenrand des Klemmabschnitts entlang und liegt an zwei entgegengesetzten Seiten des zumindest einen Klemmabschnitts der Stützstrebe an. Insbesondere wird dies durch eine Abknickung am ersten elektrisch und/oder thermisch isolierenden Element erreicht, wodurch die Stützstrebe mit lediglich einem elektrisch und/oder thermisch isolierenden Element vollständig isoliert werden kann.
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Vorteilhafterweise liegen der erste Klemmring und der erste Boden an jeweils entgegengesetzten Stirnseiten am ersten elektrisch und/oder thermisch isolierenden Element an. Dadurch sind der erste Klemmring sowie der erste Boden thermisch und elektrisch vollständig von der Stützstrebe isoliert.
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Gemäß einer Variante der Erfindung liegt das erste elektrisch und/oder thermisch isolierende Element am Randbereich einer Stirnseite des Heizelements an, wobei das Heizelement, die Stützstrebe und das erste elektrisch und/oder thermisch isolierende Element axial geklemmt sind. Somit ist die Heizvorrichtung besonders kompakt ausgeführt, da lediglich ein Klemmring und ein Boden benötigt werden, um des Heizelement und die Stützstrebe zuverlässig innerhalb der Abgasleitung zu befestigen.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung sieht vor, dass ein zweites elektrisch und/oder thermisch isolierendes Element vorgesehen ist und der Klemmabschnitt der Stützstrebe zwei entgegengesetzte Stirnflächen hat. Das erste elektrisch und/oder thermisch isolierende Element liegt an einer der beiden Stirnflächen und das zweite elektrisch und/oder thermisch isolierende Element an der anderen der beiden Stirnflächen an. Die Stützstrebe sowie das erste und zweite elektrisch und/oder thermisch isolierende Element sind dabei zwischen dem ersten Klemmring und dem ersten Boden geklemmt. Somit ist die Stützstrebe sandwichartig zwischen dem ersten und zweiten elektrisch und/oder thermisch isolierenden Element geklemmt und in axialer Richtung vollständig elektrisch und thermisch isoliert.
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Vorteilhafterweise liegt der erste Klemmring in axialer Richtung am ersten elektrisch und/oder thermisch isolierenden Element an und das zweite elektrisch und/oder thermisch isolierende Element liegt am ersten Boden an. Dadurch sind der erste Klemmring und der erste Boden thermisch und elektrisch vollständig von der Stützstrebe isoliert.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das zweite elektrisch und/oder thermisch isolierende Element in axialer Richtung zwischen einem Randbereich des Heizelements und dem Klemmabschnitt der Stützstrebe angeordnet, wobei das zweite elektrisch und/oder thermisch isolierende Element das Heizelement von der Stützstrebe axial beabstandet. Dies ist notwendig, da die Stützstrebe nicht direkt am Heizelement anliegen soll, damit die Stützstrebe einerseits keinen elektrischen Strom führt und andererseits vom aufgeheizten Heizelement thermisch isoliert ist.
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Alternativ kann die Haltevorrichtung einen zweiten Klemmring und einen zweiten ringförmigen Boden aufweisen. Zudem kann bzw. können ein oder zwei weitere elektrisch und/oder thermisch isolierende Elemente vorgesehen sein, das bzw. die am Randbereich jeweils an einer von zwei entgegengesetzten Stirnseiten des Heizelements anliegt bzw. anliegen. Der zweite Boden und der zweite Klemmring sind gegeneinander verspannt, sodass das dazwischenliegende Heizelement und die eine bzw. die zwei weiteren elektrisch und/oder thermisch isolierenden Elemente geklemmt sind. Das Heizelement und die Stützstrebe sind somit voneinander entkoppelt geklemmt. Dies wirkt sich vorteilhaft auf die Haltefunktion des Heizelements aus und bringt schwingungstechnische Vorteile mit sich.
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Insbesondere wenn das Heizelement aus einem elektrischen Heizschaum gebildet ist, bringt die entkoppelte Klemmung einen weiteren Vorteil mit sich. Da sich der Heizschaum aufgrund seiner geringen Dichte und Masse schneller ausdehnt als die restlichen Bauteile, kann dieser potentiell beschädigt werden. Durch eine entkoppelte Klemmung können eventuell auftretende Schäden, insbesondere am empfindlichen Heizschaum, reduziert oder sogar vermieden werden, indem die Klemmkraft auf den Heizschaum separat zur Klemmkraft auf die Stützstrebe festgelegt werden kann.
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Gemäß einer weiteren Variante der Erfindung liegt der erste Klemmring in axialer Richtung außenseitig am ersten elektrisch und/oder thermisch isolierenden Element und der erste Boden in axialer Richtung außenseitig am zweiten elektrisch und/oder thermisch isolierenden Element an. Ferner liegt das zweite elektrisch und/oder thermisch isolierende Element am Randbereich einer Stirnseite des Heizelements an. Der erste Boden und der erste Klemmring sind gegeneinander verspannt, sodass das dazwischenliegende Heizelement, die dazwischenliegende Stützstrebe sowie das dazwischenliegende erste und zweite elektrisch und/oder thermisch isolierende Element geklemmt sind. Somit ist die Stützstrebe sandwichartig zwischen dem ersten und zweiten elektrisch und/oder thermisch isolierenden Element geklemmt und in axialer Richtung vollständig elektrisch und thermisch isoliert. Dabei wird lediglich ein einziges elektrisch und/oder thermisch isolierendes Element, nämlich das zweite elektrisch und/oder thermisch isolierende Element, für die komplette Isolierung des Heizschaums benötigt.
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Alternativ ist ein drittes elektrisch und/oder thermisch isolierendes Element vorgesehen, das am Randbereich einer der Stirnseiten des Heizelements anliegt. Der erste Klemmring liegt in axialer Richtung außenseitig am ersten elektrisch und/oder thermisch isolierenden Element an. Ferner liegt der erste Boden in axialer Richtung außenseitig am dritten elektrisch und/oder thermisch isolierenden Element an. Der erste Boden und der erste Klemmring sind gegeneinander verspannt, sodass das dazwischenliegende Heizelement, die dazwischenliegende Stützstrebe sowie das dazwischenliegende erste, zweite und dritte elektrisch und/oder thermisch isolierende Element geklemmt sind. Durch die Verwendung eines dritten elektrisch und/oder thermisch isolierenden Elements können die Geometrien des ersten und/oder des zweiten elektrisch und/oder thermisch isolierenden Elements vereinfacht und dennoch eine komplette Isolierung des Heizschaums erreicht werden.
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Insbesondere erstreckt sich radial zwischen dem Tragrahmen und dem Heizelement das erste, zweite, dritte oder ein zusätzliches, separates Isolierelement, mit dem das Heizelement vom Tragrahmen elektrisch und thermisch isoliert wird. Falls dieses zusätzliche Isolierelement verwendet wird, kann es beispielsweise aus einem Keramikwerkstoff oder einer Hochtemperaturwolle, insbesondere einer Hochtemperatur-Fasermatte , gebildet sein. Diese Werkstoffe sind beide sowohl sehr gute thermische als auch sehr gute elektrische Leiter, wodurch auch der Tragrahmen permanent vom Heizelement isoliert ist.
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Vorteilhafterweise ist das zweite elektrisch und/oder thermisch isolierende Element aus einem Keramikwerkstoff oder einer Hochtemperaturwolle, insbesondere eine Hochtemperatur-Fasermatte , gebildet. Diese Werkstoffe sind beide sowohl sehr gute thermische als auch sehr gute elektrische Leiter. Aufgrund der Kompressibilität der Hochtemperaturwolle hat diese den zusätzlichen Vorteil, dass die Klemmkraft gleichmäßiger zwischen Stützstrebe und Heizelement übertragen werden kann. Außerdem können dadurch unterschiedliche Wärmeausdehnungen und lokal unterschiedliche Belastungen kompensiert werden. Das zweite elektrisch und/oder thermisch isolierende Element kann zusammen mit dem ersten elektrisch und/oder thermisch isolierenden Element einen Schiebesitz bilden, wobei sich hierfür der Keramikwerkstoff eignet, der gute Gleiteigenschaften besitzt und verschleißarm ist.
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Beispielsweise ist das dritte elektrisch und/oder thermisch isolierende Element aus einem Keramikwerkstoff oder einer Hochtemperaturwolle, insbesondere eine Hochtemperatur-Fasermatte , gebildet. Während die Hochtemperaturwolle das Heizelement auch von der Unterseite gleichmäßig stützt und sich an das Heizelement anschmiegt, bietet der Keramikwerkstoff gute Gleiteigenschaften, wodurch sich das Heizelement ausdehnen und eine Beschädigung vermieden werden kann.
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Insbesondere ist am Heizelement zumindest ein axial in Richtung zur Stützstrebe ragendes und an diesem anliegendes Stabilisierungsteil angebracht, das einer Durchbiegung des Heizelements entgegenwirkt. Somit ist ein permanenter Abstand zwischen Heizelement und Stützstrebe vorhanden, selbst wenn ein hoher axialer Strömungsdruck auf das Heizelement wirkt und dieses durchbiegen würde.
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Durch das Stabilisierungsteil kann das Heizelement auch elektrisch vom Heizelement isoliert sein. Dazu kann entweder am Stabilisierungsteil im Bereich der Anlage an die Stützstrebe eine Isolierung vorhanden sein oder im Bereich der Befestigung am Heizelement oder die Stützstrebe selbst ist aus elektrisch isolierendem Material.
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Ferner wird die oben genannte Aufgabe gelöst durch ein Abgassystem, mit einem abgasführenden Rohr, einer im Rohr sitzenden, abgasdurchströmten erfindungsgemäßen Heizvorrichtung und einem Katalysator. Die Heizvorrichtung ist dabei stromaufwärts des Katalysators angeordnet. Mithilfe der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung wird weniger Wärmeenergie an das abgasführende Rohr und schließlich an die Umgebung des Rohrs abgegeben, da die Stützstrebe thermisch isolierend von der Haltevorrichtung entkoppelt ist. Außerdem wird durch die elektrische Isolierung die Sicherheit des gesamten Abgassystems erhöht.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand verschiedener Ausführungsbeispiele erläutert, die in den beigefügten Zeichnungen gezeigt sind. Es zeigen:
- - 1 in einer schematischen Ansicht ein erfindungsgemäßes Abgassystem mit einer erfindungsgemäßen Heizvorrichtung;
- - 2 die erfindungsgemäße Heizvorrichtung aus 1 in einem Radialschnitt;
- - 3 einen vergrößerten Ausschnitt eines Axialschnitts einer erfindungsgemäßen Heizvorrichtung gemäß einer Ausführungsform;
- - 4 einen vergrößerten Ausschnitt eines Axialschnitts einer erfindungsgemäßen Heizvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform; und
- - 5 einen vergrößerten Ausschnitt eines Axialschnitts einer erfindungsgemäßen Heizvorrichtung gemäß noch einer weiteren Ausführungsform.
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In 1 ist ein erfindungsgemäßes Abgassystem 10 eines Kraftfahrzeugs gezeigt. Mit diesem können Emissionen eines Kraftfahrzeugs reduziert werden.
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Hierfür hat das Abgassystem 10 eine elektrische Heizvorrichtung 12 in Form einer Widerstandsheizung, einen Katalysator 14 und ein Rohr 16, wobei das Rohr 16 die Heizvorrichtung 12 aufnimmt. Während des Betriebs eines Verbrennungsmotors des Kraftfahrzeugs werden das Rohr 16 und die Heizvorrichtung 12 von Abgas durchströmt.
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Die Hauptströmungsrichtung 17 (axiale Strömungsrichtung) des Abgases ist mit einem Pfeil vereinfacht dargestellt.
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Im Folgenden wird die Heizvorrichtung 12 unter Verwendung der radialen Richtung R und der axialen Richtung A beschrieben. Die axiale Richtung A, nachfolgend auch als axial bezeichnet, entspricht dabei der Hauptströmungsrichtung 17, mit der das Heizelement 20 durchströmt wird. Die radiale Richtung R, nachfolgend auch als radial bezeichnet, steht senkrecht zur axialen Richtung A, d.h. erstreckt sich senkrecht von der Mittelachse des Rohres 16 seitlich nach außen.
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Die Heizvorrichtung 12 und der Katalysator 14 sind innerhalb des Rohrs 16 vorgesehen. Die Heizvorrichtung 12 ist stromaufwärts des Katalysators 14 angeordnet, sodass die Heizvorrichtung 12 das Abgas erwärmen kann, bevor es den Katalysator 14 durchströmt. Dadurch wird die katalytische Oxidation direkt nach einem Kaltstart verbessert und Emissionen werden reduziert.
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In 1 sind die Heizvorrichtung 12 und der Katalysator 14 separat voneinander dargestellt. Dies ist nur beispielhaft zu verstehen, wobei der Katalysator 14 auch in der Heizvorrichtung 12 integriert sein könnte.
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Die 2 zeigt die Heizvorrichtung 12 separat in einer Schnittansicht etwas detailreicher. Die dort zu sehende Schnittansicht der Heizvorrichtung 12 kann dabei für sämtliche nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen der Heizvorrichtung 12 gemäß den 3, 4 und 5 herangezogen werden.
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Die 3 zeigt den Aufbau einer ersten Ausführungsform der Heizvorrichtung 12.
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Die Heizvorrichtung 12 hat eine Haltevorrichtung 18, ein Heizelement 20 und zumindest eine Stützstrebe 22.
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Das Heizelement 20 ist eine elektrische Widerstandsheizung, die aus einem Metallschaum gebildet ist.
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Das Heizelement 20 erstreckt sich quer zu einer Abgasleitung 23 der Heizvorrichtung 12. Dabei wird die Abgasleitung 23 im Bereich der Heizvorrichtung 12 durch die Haltevorrichtung 18 radial begrenzt. Stromauf und stromab der Haltevorrichtung 18 begrenzt dann das Rohr 16 die Abgasleitung 23 oder, genauer, bildet sie.
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Die Haltevorrichtung 18 dient dazu, das Heizelement 20 der Heizvorrichtung 12 in der Abgasleitung 23 zu positionieren und zu befestigen.
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Die Stützstrebe 22 dient wiederum dazu, das Heizelement 20 zusätzlich zu stabilisieren. Hierfür ist die Stützstrebe 22 axial vom Heizelement 20 beabstandet und erstreckt sich quer durch die Abgasleitung 23. Mithilfe von zumindest einem Stabilisierungsteil 25, das sich zwischen Heizelement 20 und Stützstrebe 22 erstreckt, kann das Heizelement 20 stirnseitig gestützt werden. Das Stabilisierungsteil 25 ist hier, nur um es zeigen zu können, radial nach außen geschoben. Tatsächlich liegt es nahe des oder im Bereich des Zentrums des Heizelements 30. Natürlich können auch mehrere Stabilisierungsteile 25 verteilt zwischen Heizelement 20 und Stützstrebe liegen. Die Stabilisierungsteile 25 sind bevorzugt am Heizelement 20 befestigt, ragen z.B. in dieses hinein und sind nicht elektrisch leitend oder isolierend an Heizelement 20 oder an der Stützstrebe 22 angebracht oder anliegend.
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Die Stützstrebe 22 hat in einer Draufsicht (siehe 2) die Form eines doppel-T, wobei die Querstreben des doppel-T Klemmabschnitte 24 bilden. Dabei sind die Klemmabschnitte 24, also die Querstreben, in radialer Ausbreitungsrichtung großflächig ausgeführt.
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Die Haltevorrichtung 18 hat wiederum einen Tragrahmen 26, der das Heizelement 20 an dessen Außenumfang umfangsmäßig umgibt, sowie ein erster ringförmiger Boden 28 und ein erster Klemmring 30.
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Mithilfe des Tragrahmens 26 werden der erste Boden 28 und der erste Klemmring 30 gegeneinander verspannt, beispielsweise indem der erste Boden 28 und/oder der erste Klemmring 30 in den Tragrahmen 26 eingepresst werden.
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Der Tragrahmen 26 kann entweder separat zum ersten Boden 28 und separat zum ersten Klemmring 30 ausgebildet sein. Alternativ kann der Tragrahmen 26 aber auch einstückig in den ersten Boden 28 oder den ersten Klemmring 30 übergehen.
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In axialer Richtung A zwischen dem ersten ringförmigen, sich flanschartig und radial erstreckenden Boden 28 und dem ersten, flanschartig und radial erstreckenden Klemmring 30 sind ein erstes elektrisch und/oder thermisch isolierendes Element 32, ein zweites elektrisch und/oder thermisch isolierendes Element 34 und ein drittes elektrisch und/oder thermisch isolierendes Element 36 sowie die Stützstrebe 22 angeordnet. Diese haben insbesondere die Form einer Ringscheibe.
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Außerdem sind das erste, zweite und dritte elektrisch und/oder thermisch isolierende Element 32, 34, 36, die Stützstrebe 22 sowie das Heizelement 20 zwischen dem ersten Klemmring 30 und dem ersten Boden 28 geklemmt.
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Das erste elektrisch und/oder thermisch isolierende Element 32, das zweite elektrisch und/oder thermisch isolierende Element 34 und das dritte elektrisch und/oder thermisch isolierende Element 36 können unabhängig voneinander entweder aus einem Keramikwerkstoff oder einer Hochtemperaturwolle, insbesondere einer Hochtemperatur-Fasermatte , gebildet sein.
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Insbesondere ist jedoch zumindest eines der elektrisch und/oder thermisch isolierenden Elemente 32, 34, 36 aus einer Hochtemperaturwolle gebildet. Dadurch kann beim Verspannen eine elastische Deformation der Hochtemperaturwolle erreicht werden, um trotz Temperaturschwankungen eine ausreichende Klemmung des Heizelements 20 und der Stützstrebe 22 zu erreichen.
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In der Ausführungsform gemäß 3 sind das erste und dritte elektrisch und/oder thermisch isolierende Element 32, 36 aus einer Hochtemperaturwolle gebildet, während das zweite elektrisch und/oder thermisch isolierende Element 34 aus einem Keramikwerkstoff gebildet ist.
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Das erste elektrisch und/oder thermisch isolierende Element 32 ist in axialer Richtung A zwischen dem ersten Klemmring 30 und einem der Klemmabschnitte 24 der Stützstrebe 22 angeordnet.
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Das zweite elektrisch und/oder thermisch isolierende Element 34 ist außerdem in axialer Richtung A zwischen einem Randbereich 40 des Heizelements 20 und einem der Klemmabschnitte 24 der Stützstrebe 22 angeordnet.
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Genauer gesagt hat jeder der Klemmabschnitte 24 der Stützstrebe 22 zwei entgegengesetzte Stirnflächen, wobei das erste elektrisch und/oder thermisch isolierende Element 32 an einer der beiden Stirnflächen eines Klemmabschnitts 24 und das zweite elektrisch und/oder thermisch isolierende Element 34 an der anderen der beiden Stirnflächen eines Klemmabschnitts 24 anliegt.
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Außerdem liegen in axialer Richtung A am zweiten elektrisch und/oder thermisch isolierenden Element 34 einerseits eine Stirnfläche des Klemmabschnitt 24 der Stützstrebe 22 und andererseits eine erste von zwei entgegengesetzten Stirnseiten des Heizelements 20 an. Durch das zweite elektrisch und/oder thermisch isolierende Element 34 wird das Heizelement 20 von der Stützstrebe 22 axial beabstandet.
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Das dritte elektrisch und/oder thermisch isolierende Element 36 liegt wiederum am Randbereich 40 einer zweiten der zwei entgegengesetzten Stirnseiten des Heizelements 20 an.
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Außerdem liegt der erste Klemmring 30 in axialer Richtung A außenseitig am ersten elektrisch und/oder thermisch isolierenden Element 32 an. Durch das erste elektrisch und/oder thermisch isolierende Element 32 wird der erste Klemmring 30 von der Stützstrebe 22 axial beabstandet.
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Des Weiteren liegt der erste Boden 28 in axialer Richtung A außenseitig am dritten elektrisch und/oder thermisch isolierenden Element 36 an. Durch das dritte elektrisch und/oder thermisch isolierende Element 36 wird das Heizelement 20 vom ersten Boden 28 axial beabstandet.
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Wie bereits beschrieben, werden der erste Boden 28 und der erste Klemmring 30 gegeneinander verspannt. Dadurch werden das dazwischenliegende Heizelement 20, die dazwischenliegende Stützstrebe 22 sowie das dazwischenliegende erste, zweite und dritte elektrisch und/oder thermisch isolierende Element 32, 34, 36 geklemmt.
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Alternativ könnte der erste Boden 28 in axialer Richtung A außenseitig am zweiten elektrisch und/oder thermisch isolierenden Element 34 anliegen. Beispielsweise kann dies mithilfe zumindest einer Abknickung, bei einer Hochtemperaturwolle z.B. in Form einer Faltung, am zweiten elektrisch und/oder thermisch isolierenden Element 34 realisiert werden.
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Dadurch würde das zweite elektrisch und/oder thermisch isolierende Element 34 am Randbereich 40 an beiden Stirnseiten des Heizelements 20 anliegen. Durch ein Verspannen des ersten Bodens 28 und des ersten Klemmrings 30 würden dann das dazwischenliegende Heizelement 20, die dazwischenliegende Stützstrebe 22 sowie das dazwischenliegende erste und zweite elektrisch und/oder thermisch isolierende Element 32, 34 geklemmt werden, wobei auf das dritte elektrisch und/oder thermisch isolierende Element 36 verzichtet werden könnte.
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Gemäß noch einer Alternative könnte auf das zweite elektrisch und/oder thermisch isolierende Element 34 verzichtet werden und der erste Boden 28 am ersten elektrisch und/oder thermisch isolierenden Element 32 anliegen. Genauer gesagt würden der erste Klemmring 30 und der erste Boden 28 an jeweils entgegengesetzten Stirnseiten am ersten elektrisch und/oder thermisch isolierenden Element 32 anliegen.
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Dabei würde das erste elektrisch und/oder thermisch isolierende Element 32 am Außenrand des Klemmabschnitts 44 entlang verlaufen und an zwei entgegengesetzten Seiten des Klemmabschnitts 24 der Stützstrebe 22 anliegen. Beispielsweise wäre dies durch Abknickungen, beispielsweise durch Falten der Hochtemperaturwolle, am ersten elektrisch und/oder thermisch isolierenden Element 32 realisierbar. Dadurch kann auf das zweite elektrisch und/oder thermisch isolierenden Element 34 verzichtet werden.
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Wie aus 3 hervorgeht, wird am ersten und zweiten elektrisch und/oder thermisch isolierenden Element 32, 34 ein Schiebesitz 38 gebildet.
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Der Schiebesitz 38 erlaubt eine Längsausdehnung der Stützstrebe 22 entlang ihrer Längsrichtung infolge einer Temperaturänderung. Um diese Längsausdehnung zu ermöglichen, ist die Stützstrebe 22 radial vom Tragrahmen 26 beabstandet.
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Entlang des Außenumfangs des Heizelements 20 erstreckt sich außerdem ein zusätzliches, hier beispielsweise ein viertes, elektrisch und/oder thermisch isolierendes Element 42, das das Heizelements 20 vom Tragrahmen 26 elektrisch und thermisch isoliert.
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Beispielsweise ist dieses zusätzliche elektrisch und/oder thermisch isolierende Element 42 aus einer Hochtemperaturwolle, insbesondere einer Hochtemperatur-Fasermatte , gebildet. Die Hochtemperaturwolle ist elastisch, weswegen sich das Heizelements 20 infolge einer Temperaturausdehnung nur gering verformt, da das zusätzliche elektrisch und/oder thermisch isolierendes Element 42 elastisch nachgibt.
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Insbesondere könnte vorgesehen sein, dass ausschließlich das erste oder ausschließlich das zweite elektrisch und/oder thermisch isolierende Element 32, 34 am Randbereich 40 an jeweils einer Stirnseite des Heizelements 20 anliegt. Dies wäre beispielsweise ebenfalls durch zumindest eine Abknickung, z.B. durch Falten der Hochtemperaturwolle, am ersten bzw. zweiten elektrisch und/oder thermisch isolierenden Element 32, 34 realisierbar. Dadurch könnte auf das zusätzliche elektrisch und/oder thermisch isolierende Element 42 verzichtet werden, da sich das erste bzw. zweite elektrisch und/oder thermisch isolierende Element 32, 34 entlang des Außenumfangs des Heizelements 20 erstreckt.
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Es wäre auch denkbar, dass der erste Klemmring 30 in axialer Richtung A am ersten elektrisch und/oder thermisch isolierenden Element 32 und das zweite elektrisch und/oder thermisch isolierende Element 34 am ersten Boden 28 anliegt. Dies wäre beispielsweise durch zumindest eine Abknickung, beispielsweise durch Falten der Hochtemperaturwolle, am zweiten elektrisch und/oder thermisch isolierenden Element 34 realisierbar. Dadurch könnte ebenfalls auf das zusätzliche elektrisch und/oder thermisch isolierendes Element 42 verzichtet werden, da sich das zweite elektrisch und/oder thermisch isolierende Element 34 entlang des Außenumfangs des Heizelements 20 erstreckt.
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In 4 ist eine weitere Ausführungsform der Heizvorrichtung 12 gezeigt. Sie entspricht im Wesentlichen der Ausführungsform gemäß 3. Im Unterschied dazu ist das zweite elektrisch und/oder thermisch isolierende Element 34 aus einer Hochtemperatur-Fasermatte und nicht aus einem Keramikwerkstoff gebildet.
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Die 5 zeigt noch eine weitere Ausführungsform der Heizvorrichtung 12. Im Unterschied zu den zuvor gezeigten Ausführungsformen gemäß den 3 und 4 werden die Stützstrebe 22 und das Heizelement 20 separat voneinander geklemmt. Dies bedeutet, dass die Klemmkraft auf die Stützstrebe 22 unabhängig von der Klemmkraft auf das Heizelement 20 eingestellt werden kann. In anderen Worten sind die Stützstrebe 22 und das Heizelement 20 voneinander entkoppelt geklemmt.
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Der erste Klemmring 30 liegt, wie bereits zuvor, in axialer Richtung A am ersten elektrisch und/oder thermisch isolierenden Element 32 an. Allerdings liegt das zweite elektrisch und/oder thermisch isolierende Element 34 nun direkt am ersten Boden 28 an.
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Der erste Klemmring 30 ist erneut gegen den ersten Boden 28 verspannt, wobei dadurch nur mehr das erste und zweite elektrisch und/oder thermisch isolierende Element 32, 34 und der Klemmabschnitt 44 der Stützstrebe 22 geklemmt und gehalten werden.
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Für das Klemmen und Halten des Heizelements 20 hat die Halteeinrichtung 18 einen zweiten ringförmigen Boden 46 und einen zweiten Klemmring 48.
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Zudem sind zwei weitere elektrisch und/oder thermisch isolierende Elemente 50, 52 vorgesehen, die außenseitig an einer von zwei entgegengesetzten Stirnseiten des Randbereichs 40 des Heizelements 20 anliegen.
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Optional könnte auch nur ein einziges weiteres elektrisch und/oder thermisch isolierendes Element 50 vorgesehen sein, das außenseitig an zwei entgegengesetzten Seiten des Randbereichs 40 des Heizelements 20 anliegt, wobei das weitere elektrisch und/oder thermisch isolierende Element 50 hierfür z.B. Abknickungen aufweist. Dadurch könnte beispielsweise auf das zusätzliche elektrisch und/oder thermisch isolierende Element 42 verzichtet werden, da sich das weitere elektrisch und/oder thermisch isolierende Element 50 entlang des Außenumfangs des Heizelements 20 erstreckt.
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Im vorliegenden Fall sind die weiteren elektrisch und/oder thermisch isolierende Elemente 50, 52 aus einer Hochtemperatur-Fasermatte ausgebildet. Alternativ wäre es jedoch auch denkbar, dass diese aus einem Keramikwerkstoff ausgebildet sind.
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Außerdem sind der zweite Boden 46 und der zweite Klemmring 48 über den Tragrahmen 26 gegeneinander verspannt, sodass das dazwischenliegende Heizelement 20 und die dazwischenliegenden zwei weiteren elektrisch und/oder thermisch isolierenden Elemente 50, 52 geklemmt sind.