DE102022121591B3

DE102022121591B3 - Elektrode und Abstandselement

Info

Publication number: DE102022121591B3
Application number: DE102022121591.1A
Authority: DE
Inventors: Krzysztof Stawinoga; Joachim Gehrlein; Tomasz Chelstowski; Peter Räsch
Original assignee: Tenneco GmbH
Current assignee: Tenneco GmbH
Priority date: 2022-08-25
Filing date: 2022-08-25
Publication date: 2023-10-19
Anticipated expiration: 2042-08-26
Also published as: WO2024042171A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Heizwiderstand 1 zum Einsetzen in ein Abgasrohr 4, wobei der Heizwiderstand 1 in eine Form mit mehreren nebeneinander angeordneten Heizschleifen 1.3 gebracht ist, die eine Grundform_G ausbilden, wobei die jeweilige Heizschleife 1.3 aus zwei Stegen, einem Steg_1 und einem Steg_2 gebildet ist, wobei benachbarte Stege 1.2a, 1.2b der Heizschleifen 1.3 durch eine Nut 1.1 mit einer Nutachse 1.1a getrennt sind, wobei mindestens ein Steg_1 eine Aufnahmeöffnung 1.4a mit einer Querschnittsform_A aufweist zur Aufnahme eines Isolators 2, wobei der benachbarte Steg_2 im Bereich der Aufnahmeöffnung 1.4aa) flach ist oderb) eine Kontaktfläche 1.4b mit einer Querschnittsform_F aufweist, die ungleich der Querschnittsform_A ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Heizwiderstand zum Einsetzen in ein Abgasrohr zum Erhitzen von Abgas, wobei der Heizwiderstand eine Grundform_G aufweist, bei der eine oder mehrere nebeneinander angeordnete Heizschleifen vorgesehen sind, die die Grundform_G ausbilden, wobei die jeweilige Heizschleife aus zwei endseitig gekoppelten Stegen, einem Steg_1 und einem Steg_2 gebildet ist, wobei benachbarte Stege der Heizschleife bzw. benachbarte Stege der Heizschleifen durch eine Nut mit einer Nutachse bzw. einen Spalt getrennt sind.
Es ist bereits ein Heizwiderstand mit Abstandselement aus der US 5,501,842 A bekannt. Der Heizwiderstand weist quer verlaufende Schlitze auf, in die Isolatorelemente eingesetzt sind.
Die DE 10 2021 131 364 A1 beschreibt eine elektrische Heizvorrichtung eines Abgassystem ohne Abstandselemente.
Die JP 2022-43 150 A beschreibt Heizelemente für Fluidströme.
Die DE 10 2021 131 370 A1 beschreibt eine Heizvorrichtung für ein Abgassystem mit Stabilisationsteilen innerhalb der Aussparungen.
Die US 5 597 503 A beschreibt eine Heizvorrichtung für einen katalytischen Konverter mit Abstandselementen innerhalb der Nut zwischen Schenkeln des Heizwiderstands.
Die DE 10 2022 116 755 A beschreibt eine Heizeinrichtung zum Beheizen eines Gasstroms mit Abstandselementen innerhalb der Nut zwischen Schenkeln des Heizwiderstands.
Die DE 10 2021 128 240 A1 beschreibt eine Heizeinheit für eine Abgasanlage einer Brennkraftmaschine.
Die DE 20 2020 104 976 U1 beschreibt ein elektrisches Heizaggregat zum Einschalten in den Abgasstrang einer Brennkraftmaschine.
Die JP H08- 218 856 A beschreibt einen elektrisch beheizten Katalysator mit Abstandselementen innerhalb der Nut zwischen Schenkeln des Katalysators.
Die EP 3 943 720 A1 beschreibt eine elektrische Heizvorrichtung für einem Abgasstrang.
Die DE 10 2020 131 726 A1 beschreibt eine Heizvorrichtung für ein Abgassystem mit Stabilisationsteilen innerhalb der Aussparungen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Heizwiderstand auszubilden und anzuordnen, dass die Dauerbelastbarkeit erhöht wird.
Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, dass mindestens ein Steg_1 eine Aufnahmeöffnung mit einer Querschnittsform_A aufweist zur Aufnahme eines Isolators, wobei der benachbarte Steg_2 im Bereich der Aufnahmeöffnung

a) flach ausgebildet ist oder
b) eine Kontaktfläche mit einer Querschnittsform_F aufweist, die ungleich der Querschnittsform_A ist. Die Querschnittsform_A bzw. die Querschnittsform_F kann rund, oval, polygon oder eckig ausgebildet sein.

Durch die abweichende Gestaltung der Kontaktfläche am benachbarten Steg_2 im Bereich der Aufnahmeöffnung wird ein Formschluss zwischen dem Isolator und dem Steg_2 verhindert, sodass der Isolator mit Bezug zum Steg_2 und mit Bezug zur Nutachse in beide Richtungen bewegt werden kann. Dies ermöglicht eine belastungsarme Relativbewegung zwischen dem Isolator und dem Steg_2 beim Aufheizen des Heizwiderstands. Eine Relativbewegung zwischen dem Steg_1 und dem Isolator ist nicht vorgesehen. Gleiches wird erreicht, wenn als Kontaktfläche eine Aufnahmeöffnung mit einer Querschnittsform_F vorgesehen ist, wobei die Querschnittsform_F soweit von der Querschnittsform_A abweicht bzw. größer ist als die Querschnittsform_A, dass bei der Verwendung von Isolatoren eine belastungsfreie Relativbewegung zwischen dem Steg_2 und dem Isolator in Richtung der Nutachse möglich ist. In Richtung der Abgashauptströmung, mithin normal zur Oberfläche des Heizwiderstands ist der jeweilige Isolator in die Aufnahmeöffnung einsetzbar. Mit Bezug auf die drei translatorischen Raumachsen besteht zwischen dem Isolator und dem Steg_1 mindestens ein zweiwertiges Lager. Der Isolator ist jedoch gegen den Steg_2 zumindest zur Anlage bringbar in eine Richtung quer zur Nutachse bzw. quer zur Abgasströmung.
Vorteilhaft kann es hierzu auch sein, wenn die Aufnahmeöffnung zwei Flanken aufweist, die einen in Richtung der Nutachse wirkenden Formschluss mit einem in die Aufnahmeöffnung einzusetzenden Isolator gewährleisten. Der Isolator ist bezüglich einer parallel zur Nutachse verlaufenden Raumachse formschlüssig an den Steg_1 anlegbar. Somit ist in beide Richtungen der Nutachse ein Formschluss zwischen dem Isolator und dem Steg_1 herstellbar.
Ferner kann ein Heizelement vorteilhaft sein, bestehend aus einem Heizwiderstand wie vorgehend beschrieben und darin gelagerten Isolatoren.
Vorteilhaft kann es auch sein, wenn der Isolator eine Querschnittsform_L aufweist, wobei ausschließlich der Steg_1 eine Aufnahmeöffnung mit einer Querschnittsform_A aufweist, die einem Teil der Querschnittsform_L entspricht, wobei der jeweilige Isolator mit Bezug zur Nutachse in beide Richtungen in einem Formschluss mit der Aufnahmeöffnung steht. Somit ist der Isolator ausreichend fest mit dem Steg_1 verbunden.
Dabei kann es vorteilhafterweise vorgesehen sein, wenn der benachbarte Steg_2 im Bereich der Aufnahmeöffnung eine Kontaktfläche mit einer Querschnittsform_F aufweist, wobei der Isolator eine Kontaktzone mit einer Querschnittsform_Z aufweist, wobei die Querschnittsform_Z ungleich der Querschnittsform_F ist. Eine abweichende Querschnittsform_F gewährleistet eine belastungsfreie Relativbewegung zwischen dem Steg_2 und dem Isolator.
Hierzu kann es vorteilhafterweise vorgesehen sein, wenn die Querschnittsform_F einen Radius_R aufweist und die Querschnittsform_Z einen Radius r aufweist, mit R > r oder R >= 2r. Somit ist mit Bezug zur Nutachse eine ausreichende Bewegungsfreiheit des Isolators relativ zum Steg_1 gewährleistet.
Auch kann es vorteilhafterweise vorgesehen sein, wenn zwischen der Kontaktzone des Isolators und dem benachbarten Steg_2 ein Spalt vorgesehen ist. Somit ist beim Erwärmen des Heizwiderstands eine Verkleinerung der Nutbreite bzw. der Spaltbreite so lange möglich, bis der Isolator an den Steg_2 zur Anlage kommt. Damit kann der auf den Isolator bzw. den Steg wirkende Druck in eine Richtung quer zur Nutachse reduziert werden.
Dabei kann es vorteilhaft sein, wenndie Aufnahmeöffnung eine Hinterschneidung aufweist, wobei in eine Richtung Q quer zur Nutachse ein Formschluss zwischen dem Isolator und dem Steg_1 besteht. Zwischen dem Isolator und dem benachbarten Steg_2 kann ein recht großer Spalt bestehen (im kalten Zustand). Dieser Spalt wird beim Erwärmen des Heizelementes womöglich verringert oder vergrößert. Unabhängig von der Größe des Spalts verbleibt der Isolator jedoch im Steg_1. Ein Herausrutschen des Isolators aus der Aufnahmeöffnung in Richtung Q quer zur Nutachse ist somit stets verhindert. Der gegen den Steg_2 anliegende Isolator ist bezüglich zweier Raumachsen formschlüssig gelagert. Die freie dritte Raumachse dient zum Einsetzen des Isolators in die Aufnahmeöffnung.
Vorteilhaft kann es auch sein, wenndie Aufnahmeöffnung eine runde, ovale, polygone oder eckige Querschnittsform_A aufweist und/oder wenn zumindest der durch die Aufnahmeöffnung aufzunehmende Teil des Isolators eine runde, ovale, polygone oder eckige Querschnittsform_A aufweist. Somit kann auch eine Rotation des Isolators innerhalb der Aufnahmeöffnung verhindert werden.
Der Isolator ist aus einem keramischen Werkstoff gefertigt oder als Metallstift mit keramischer Beschichtung ausgebildet.
Zudem kann ein System vorteilhaft sein bestehend aus einem Heizelement wie vorgehend beschrieben und zumindest einem Teil einer Abgasanlage in Form eines Abgasrohres, wobei der Heizwiderstand innerhalb des Abgasrohres angeordnet ist.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind in den Patentansprüchen und in der Beschreibung erläutert und in den Figuren dargestellt.
Es zeigen:

1 ein Heizelement in perspektivischer Ansicht;
2a-3c Detailskizzen.

Ein in 1 dargestelltes Heizelement 10 weist einen Heizkörper in Form eines Heizwiderstands 1 auf. Der Heizwiderstand 1 weist mehrere Heizschleifen 1.3 auf, die aus zwei endseitig verbundenen Stegen 1.2a, 1.2b bzw. Steg_1 und Steg_2 (nachfolgend mit 1.2a und 1.2b bezeichnet) gebildet sind. Benachbarte Stege 1.2a, 1.2b sind durch eine Nut 1.1 mit einer Nutachse 1.1a voneinander getrennt. Im endseitigen Bereich der Nut 1.1 ist jeweils ein Isolator 2 vorgesehen, welcher einen Abstand zwischen benachbarten Heizschleifen 1.2a, 1.2b gewährleistet. Der Heizwiderstand 1 weist eine runde Grundform_G auf, die ein Montieren in ein ebenfalls rundes Abgasrohr 4 gewährleistet.
In den Detaildarstellungen nach 2a bis 3c ist der endseitige Bereich einer Nut 1.1 zwischen zwei benachbarten Stegen 1.2a, 1.2b dargestellt. Die beiden Stege 1.2a, 1.2b sind durch die Nut 1.1 voneinander getrennt. Im Bereich des jeweiligen Nutendes ist ein Isolator 2 vorgesehen, der im Steg 1.2a aufgenommen ist. Der Steg 1.2a weist hierzu eine Aufnahmeöffnung 1.4a mit einer Querschnittsform_A auf, die sich quer zur Nutachse 1.1a erstreckt. In der Aufnahmeöffnung 1.4a ist der Isolator 2 gelagert. Die Querschnittsform_L des in der Aufnahmeöffnung 1.4a eingebetteten Teils des Isolators 2 entspricht der Querschnittsform_A. Der Isolator 2 liegt auf Höhe einer Kontaktfläche 1.4b des benachbarten Stegs_1.
Nach den Ausführungsbeispielen 2a bis 2d ist die Kontaktfläche 1.4b des Stegs 1.2b bzw. dessen Querschnittsform_F im Bereich des Isolators 2 bzw. im Bereich oder auf Höhe der benachbarten Aufnahmeöffnung 1.4a flach ausgebildet. Ähnliches gilt für Ausführungsform 2b. Hier ist die Kontaktfläche 1.4b ebenfalls flach ausgebildet, wobei die Kontaktfläche ihrer Größe nach beschränkt ist auf die Ausdehnung der hierfür erforderlichen Nut innerhalb des Stegs 1.2b.
Gemäß den Ausführungsbeispielen 2a bis 2e besteht zwischen dem Isolator 2 und dem benachbarten Steg 1.2b nahezu kein Spalt 3 (im kalten Zustand) oder ein sehr kleiner Spalt 3. Dieser Spalt 3 wird beim Erwärmen des Heizelementes womöglich verändert. Es ist jedoch kein fester Sitz des Isolators 2 innerhalb der Aufnahmeöffnung 1.4a vorgesehen, der Isolator 2 ist in eine Richtung Q quer zur Nutachse 1.1 bewegbar. Die Querschnittsform_L des in der Aufnahmeöffnung 1.4a eingebetteten Isolators 2 entspricht der Querschnittsform_A. Vor dem Hintergrund einer maximal erreichbaren Spaltbreite ist ein Herausrutschen des Isolators 2 aus der Aufnahmeöffnung 1.4a in Richtung Q quer zur Nutachse 1.1 möglich. Jedoch liegt der Isolator 2' wie in 2a skizziert am benachbarten Steg 1.2b bzw. an der Kontaktfläche 1.4b an. Somit verbleibt der Isolator 2 zumindest teilweise stets in der Aufnahmeöffnung 1.4a.
Gemäß den Ausführungsbeispielen 3a bis 3c ist der Isolator 2 im Steg 1.2a mit Bezug zu einer Richtung Q quer zur Nutachse 1.1 formschlüssig aufgenommen. Hierzu weist der Steg 1.2a bzw. die Aufnahmeöffnung 1.4a eine Hinterschneidung 1.5 auf. Mithin ist in beide Richtungen zur Nutachse 1.1a ein Formschluss zwischen dem Isolator 2 und dem Steg 1.2a gewährleistet. Zwischen dem Isolator 2 und dem benachbarten Steg 1.2b besteht ein recht großer Spalt 3 (im kalten Zustand). Dieser Spalt 3 wird beim Erwärmen des Heizelementes womöglich verringert oder vergrößert. Unabhängig von der Größe des Spalts 3 verbleibt der Isolator 2 jedoch im Steg 1.2a. Ein Herausrutschen des Isolators 2 aus der Aufnahmeöffnung 1.4a in Richtung Q quer zur Nutachse 1.1 ist somit stets verhindert.
Nach dem Ausführungsbeispiel 2a, 2e, 3a weist der eingebettete Teil des Isolators 2 eine kreisförmige Querschnittsform_L auf, wobei die Aufnahmeöffnung 1.4a eine entsprechend teilkreisförmige Querschnittsform_A aufweist. Gemäß 3a weist die Aufnahmeöffnung 1.4a eine Tiefe t auf, die größer ist als ein Radius r des runden Isolators 2, sodass besagte Hinterschneidung gewährleistet ist.
Nach Ausführungsbeispiel 2c weist der eingebettete Teil des Isolators 2 eine ovale Querschnittsform_L auf. Die Aufnahmeöffnung 1.4a weist entsprechend eine teilovalförmige Querschnittsform_A auf, sodass der Isolator 2 in eine Richtung normal zur Bildebene in die Aufnahmeöffnung 1.4a einsetzbar ist. Hier ist eine Hinterschneidung der Aufnahmeöffnung 1.4a vorgesehen. Dies muss wegen der Anlage des Isolators 2 gegen den Steg 1.2b bzw. dessen Kontaktfläche 1.4b nicht sein.
Nach Ausführungsbeispiel 3b weist der Isolator 2 insgesamt eine trapezförmige Querschnittsform_L auf, während nach 3c der Isolator 2 eine kegelstumpfförmige Querschnittsform_L aufweist mit einer runden Kontaktzone 2.1 bzw. Querschnittsform_Z. Gemäß Ausführungsbeispiel 2b, 2d, 3b ist die Kontaktzone 2.1 flach ausgebildet.
Nach den beiden Ausführungsbeispielen 2e, 3c ist die Kontaktfläche 1.4b bzw. ihre Querschnittsform_F rund ausgebildet. Der Radius R der Kontaktfläche 1.4b ist dabei etwa doppelt so groß wie der Radius r der Kontaktzone 2.1 des Isolators 2 bzw. wie der Radius r der Querschnittsform_Z. Somit ergibt sich zwischen der Kontaktzone 2.1 des Isolators 2 und dem gegenüberliegenden Steg 1.2b nur ein minimaler Formschluss in eine Richtung parallel zur Nutachse 1.1.
3a' zeigt das Ausführungsbeispiel nach 3a, jedoch ohne Isolator. Zu erkennen sind die beiden Flanken 1.41, 1.42 der Aufnahmeöffnung 1.4a.
Bezugszeichenliste

1: Heizkörper, Heizwiderstand
1.1: Nut
1.1a: Nutachse
1.2a: Steg_1
1.2b: Steg_2
1.3: Heizschleife
1.4a: Aufnahmeöffnung
1.41: Flanke
1.42: Flanke
1.4b: Kontaktfläche
1.5: Hinterschneidung
2: Isolator
2': Isolator
2.1: Kontaktzone
3: Spalt
4: Abgasrohr
10: Heizelement
t: Tiefe
Q: Richtung quer zu 1.1a
R: Radius
r: Radius
Grundform_G: vom Heizwiderstand
Querschnittsform_A: von Aufnahmeöffnung
Querschnittsform_F: von Kontaktfläche
Querschnittsform_L: von Isolator
Querschnittsform_Z: von Kontaktzone

Claims

Heizwiderstand (1) zum Einsetzen in ein Abgasrohr (4), wobei der Heizwiderstand (1) eine Grundform_G aufweist, bei der eine oder mehrere nebeneinander angeordnete Heizschleifen (1.3) ausgebildet sind, wobei die jeweilige Heizschleife (1.3) aus zwei endseitig gekoppelten Stegen, einem Steg_1 (1.2a) und einem Steg_2 (1.2b) gebildet ist, wobei benachbarte Stege (1.2a, 1.2b) eine Nut (1.1) mit einer Nutachse (1.1a) begrenzen, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Steg_1 (1.2a) eine Aufnahmeöffnung (1.4a) mit einer Querschnittsform_A aufweist zur Aufnahme eines Isolators (2), wobei der benachbarte Steg_2 (1.2b) im Bereich der Aufnahmeöffnung (1.4a) a) flach ist oder b) eine Kontaktfläche (1.4b) mit einer Querschnittsform_F aufweist, die ungleich der Querschnittsform_A ist.
Heizwiderstand (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmeöffnung (1.4a) zwei Flanken (1.41, 1.42) aufweist, die einen in Richtung der Nutachse (1.1a) wirkenden Formschluss mit einem in die Aufnahmeöffnung (1.4a) einzusetzenden Isolator (2) gewährleisten.
Heizelement (10) bestehend aus einem Heizwiderstand (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und darin gelagerten Isolatoren (2).
Heizelement (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolator (2) eine Querschnittsform_L aufweist, wobei ausschließlich ein Steg_1 (1.2a) eine Aufnahmeöffnung (1.4a) mit einer Querschnittsform_A aufweist, die einem Teil der Querschnittsform_L entspricht, wobei der jeweilige Isolator (2) mit Bezug zur Nutachse (1.1a) in beide Richtungen in einen Formschluss mit der Aufnahmeöffnung (1.4a) bringbar ist.
Heizelement (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der benachbarte Steg_2 (1.2b) im Bereich der Aufnahmeöffnung (1.4a) eine Kontaktfläche (1.4b) mit einer Querschnittsform_F aufweist, wobei der Isolator (2) eine Kontaktzone (2.1) mit einer Querschnittsform_Z aufweist, wobei die Querschnittsform_Z ungleich der Querschnittsform_F ist.
Heizelement (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsform_F einen Radius_R aufweist und die Querschnittsform_Z einen Radius r aufweist, mit R > r oder R >= 2r.
Heizelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Kontaktzone (2.1) des Isolators (2) und dem benachbarten Steg_2 (1.2b) ein Spalt (3) vorgesehen ist.
Heizelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmeöffnung (1.4a) eine Hinterschneidung (1.5) aufweist, wobei in eine Richtung Q quer zur Nutachse (1.1a) ein Formschluss zwischen dem Isolator (2) und dem Steg_1 (1.2a) besteht.
Heizelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmeöffnung (1.4a) eine runde, ovale, polygone oder eckige Querschnittsform_A aufweist und/oder dass zumindest der durch die Aufnahmeöffnung (1.4a) aufzunehmende Teil des Isolators (2) eine runde, ovale, polygone oder eckige Querschnittsform_A aufweist.
System bestehend aus einem Heizelement (10) nach Patentanspruch 4 und zumindest einem Teil einer Abgasanlage in Form eines Abgasrohres (4), wobei der Heizwiderstand (1) innerhalb des Abgasrohres (4) angeordnet ist.