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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft ein Heizelement für eine Abgasleitung.
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Stand der Technik
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Ein solches Heizelement oder EHC (aus dem Englischen electrically heated catalyst) wird auf bekannte Weise verwendet, um einen Katalysator vorzuwärmen oder aufzuheizen, damit er seine Mindesttemperatur für die Wirksamkeit erreicht, sodass der Katalysator die Abgase wirksam reinigen kann. Eine solche Aufheizung erfolgt durch Strahlung und/oder Konvektion. Das Heizelement ist normalerweise unmittelbar stromaufwärts von dem Katalysator angeordnet.
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Gemäß einer bekannten Ausführungsform umfasst ein Heizelement eine Aufnahme, die im Wesentlichen rohrförmig ist, um einen Durchgangsquerschnitt zu schaffen, ausgerichtet und angeordnet in oder anstelle einer Abgasleitung, in der Abgase aus einem Verbrennungsmotor strömen. In dieser Aufnahme ist quer über den Durchgangsabschnitt eine Heizscheibe angeordnet.
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Die Heizscheibe ist perforiert und/oder porös, damit die Abgase durch ihren Querschnitt hindurchströmen können. Außerdem ist sie metallisch und elektrisch widerstandsfähig. Sie ist mit mindestens zwei Elektroden verbunden, die es ermöglichen, in ihrem Inneren einen elektrischen Strom fließen zu lassen, sodass die Heizscheibe durch den Joule-Effekt aufgeheizt wird. Diese Wärme wird durch Strahlung und Konvektion auf den Katalysator übertragen, der stromabwärts von der Heizscheibe angeordnet ist, wobei die Wärme durch die Gase, Luft oder Abgase, die durch die Heizscheibe strömen, transportiert wird.
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Um elektrische Pfade von einer Elektrode zur anderen mit gleicher Länge/gleichem Widerstand zu erlangen und gleichzeitig die gesamte Oberfläche der Heizscheibe gleichmäßig zu bedecken, um eine im Wesentlichen gleichmäßige Temperatur zu erlangen, ist es bekannt, eine Elektrode in der Mitte der Heizscheibe und mindestens eine weitere Elektrode am Rand der Heizscheibe anzuordnen, wobei dieser Rand elektrisch durchgängig ist.
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Eine mittig angeordnete Elektrode erzeugt jedoch einen nicht zu vernachlässigenden Druckverlust. Es ist auch schwierig, sie hinsichtlich ihrer Befestigung mit der Heizscheibe zu platzieren. Außerdem erhöht eine mittige Elektrode die mechanische Trägheit der Heizscheibe deutlich und beeinträchtigt dadurch ihre Lebensdauer erheblich.
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Es wird auch nach Ausführungsformen gesucht, die keine mittige Elektrode erfordern.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Das Prinzip der Erfindung besteht darin, die Heizscheibe in eine Vielzahl von Sektoren zu unterteilen, die untereinander nur durch einen Punkt elektrisch verbunden sind. Somit ist es möglich, nur über periphere Elektroden zu verfügen.
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Zu diesem Zweck ist der Gegenstand der Erfindung ein Heizelement für eine Abgasleitung, umfassend eine im Wesentlichen rohrförmige Aufnahme, die mit einer Leitung der Abgasleitung ausgerichtet ist und/oder in diese übergeht, die quer zu der Aufnahme angeordnet ist und im Wesentlichen den gesamten Durchgangsquerschnitt der Aufnahme einnimmt, die elektrisch mit der Heizscheibe verbunden sind, wobei die Heizscheibe mindestens zwei Sektoren und eine Kontakteinrichtung, die zwischen den mindestens zwei Sektoren angeordnet ist, umfasst, wobei die mindestens zwei Sektoren elektrisch voneinander isoliert und elektrisch nur durch die Kontakteinrichtung verbunden sind.
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Besondere Merkmale oder Ausführungsformen, die einzeln oder in Kombination verwendet werden können, sind:
- - die Kontakteinrichtung ist im Wesentlichen mittig in Bezug auf die Heizscheibe angeordnet,
- - keine der mindestens zwei Elektroden ist mittig,
- - jede der mindestens zwei Elektroden ist am Rand mit einem der mindestens zwei Sektoren verbunden,
- - eine erste der mindestens zwei Elektroden ist peripher und mit dem Ende eines ersten Sektors verbunden und eine zweite der mindestens zwei Elektroden ist peripher und mit dem Anfang eines zweiten Sektors verbunden, der unmittelbar an den ersten Sektor angrenzt, sodass die erste und die zweite Elektrode benachbart sind,
- - die Anzahl der mindestens zwei Sektoren ist zwei,
- - zwei benachbarte Sektoren von den mindestens zwei Sektoren sind durch eine Versteifung fest miteinander verbunden, die zwei Teile umfasst, die die Ränder der zwei benachbarten Sektoren zusammendrückt und aus elektrisch isolierendem Material gefertigt ist,
- - zwei benachbarte Sektoren von den mindestens zwei Sektoren sind durch eine spiralförmige Bindung aus elektrisch isolierendem Material fest miteinander verbunden,
- - das Heizelement umfasst ferner mindestens eine Halterung in Form einer Scheibe umfasst, die sich im Wesentlichen über den gesamten Durchgangsquerschnitt der Aufnahme erstreckt, gegen die Heizscheibe gedrückt wird und an der Aufnahme befestigt ist, aus elektrisch isolierendem Material gefertigt oder durch elektrisch isolierendes Material von der Heizscheibe getrennt ist, wobei eine Halterung vorzugsweise Radien und große Öffnungen aufweist, bevorzugter mindestens zwei Halterung, die auf beiden Seiten der Heizscheibe angeordnet sind.
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In einem zweiten Aspekt eine Gasreinigungsvorrichtung für eine Abgasleitung, umfassend ein Reinigungsorgan und ein solches Heizelement, das in der Nähe des Reinigungsorgans angeordnet ist.
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In einem dritten Aspekt der Erfindung eine Abgasleitung, umfassend mindestens ein solches Heizelement.
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Figurenliste
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Die Erfindung wird bei Lesen der folgenden Beschreibung besser verstanden, die nur als Beispiel dient und unter Bezugnahme auf die Figuren im Anhang, in denen:
- [1] 1 ein Heizelement gemäß der Erfindung in Draufsicht zeigt,
- [2] 2 eine Heizscheibe gemäß der Erfindung in Draufsicht zeigt,
- [3] 3 das Heizelement von 1 in Draufsicht zeigt,
- [4] 4 eine Ausführungsform einer Kontakteinrichtung zwischen zwei Sektoren in einer seitlichen Schnittansicht zeigt,
- [5] 5 eine weitere Ausführungsform einer Kontakteinrichtung zwischen zwei Sektoren in einer seitlichen Schnittansicht zeigt,
- [6] 6 eine Montageeinrichtung zwischen zwei Sektoren in perspektivischer Ansicht zeigt.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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Mit Bezugnahme auf 1 und 3 betrifft die Erfindung ein Heizelement 1 für eine Abgasleitung. Ein solches Heizelement 1, umfasst eine im Wesentlichen rohrförmige Aufnahme 2. Der rohrförmige Abschnitt kann beliebig geformt sein. In der veranschaulichten Ausführungsform ist dieser Durchgangsabschnitt kreisförmig. Die Aufnahme 2 geht in einen Abgaskanal 3 der Abgasleitung über und ist damit ausgerichtet oder ersetzt diese sogar lokal. Die Abgase verlaufen durch den Kanal 3 und durchströmen die Aufnahme 2 in ihrer Zirkulation von dem Motor bis zu der Auspuffkanüle. Eine Heizscheibe 4 in Form einer Scheibe mit einem Außenquerschnitt, der im Wesentlichen dem Durchgangsquerschnitt der Aufnahme 2 entspricht, ist quer zu dem Durchgangsquerschnitt der Aufnahme 2 angeordnet, sodass sie im Wesentlichen den gesamten Durchgangsquerschnitt der Aufnahme 2 einnimmt.
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Auf bekannte Weise besteht die Heizscheibe 4 zumindest teilweise aus leitendem, vorzugsweise metallischem Material, um elektrisch widerstandsfähig zu sein. Die Heizscheibe 4 ist mittels mindestens zweier Elektroden 8, 9 mit einer Stromquelle verbunden. Wenn also Strom durch die Heizscheibe 4 fließt, wird ein Aufheizen letzterer durch den Joule-Effekt verursacht.
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Um eine Vielzahl von elektrischen Pfaden zu erhalten, die in Bezug auf Länge und Widerstand im Wesentlichen gleich sind, ist eine Heizscheibe gemäß dem Stand der Technik klassischerweise homogen, eine Elektrode ist im Wesentlichen in der Mitte der Heizscheibe angeordnet und mindestens eine weitere Elektrode ist am Rand angeordnet, wobei letztere elektrisch durchgängig ist, sodass ein Äquipotential gebildet ist.
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Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, keine mittige Elektrode zu benötigen, um alle Nachteile zu vermeiden, die mit einer solchen Elektrodenanordnung assoziiert sind.
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Wie es in 2 veranschaulicht ist, die eine einzelne Heizscheibe 4 zeigt, umfasst die Heizscheibe 4 des Heizelements 1 gemäß der Erfindung gemäß einem Merkmal zu diesem Zweck mindestens zwei Sektoren 5, 6.
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Die Heizscheibe 4 ist somit in mindestens zwei Sektoren 5, 6 aufgeteilt, die vorzugsweise von der Mitte der Heizscheibe 4 aus und bevorzugter in gleichen Winkelsektoren geschnitten sind.
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Diese Sektoren 5, 6 sind voneinander getrennt, zumindest derart, dass sie elektrisch nicht durchgängig sind, mit Ausnahme einer Kontakteinrichtung 7. Diese Kontakteinrichtung 7 ist vorteilhafterweise im Wesentlichen punktförmig. Diese Kontakteinrichtung 7 ist zwischen den mindestens zwei Sektoren 5, 6 angeordnet, um die mindestens zwei Sektoren 5, 6 an einer Stelle elektrisch zu verbinden. Der durch die Kontakteinrichtung 7 hergestellte elektrische Verbindungspunkt ist der einzige elektrische Kontakt zwischen den mindestens zwei Sektoren 5, 6.
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Die Kontakteinrichtung 7 ist normalerweise der Bereich, der sich in der geometrischen Mitte der Heizscheibe befindet. Sie ist im Verhältnis zu der Oberfläche der Scheibe von kleiner Größe.
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Die Heizscheibe 4 ist durch nicht referenzierte radiale Schlitze, die sich von dem genannten mittigen Bereich bis zu dem Umfangsrand der Scheibe 4 erstrecken, in Sektoren 5, 6 unterteilt. Diese Schlitze sind an dem genannten Umfangsrand durchgängig.
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Die Sektoren 5, 6 sind Winkelsektoren, d. h. Bereiche der Scheibe, die zwischen zwei radialen Schlitzen abgegrenzt sind.
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Die radialen Schlitze sind winkelmäßig gleichförmig um die Mitte der Scheibe verteilt. Die Sektoren 5, 6 sind also gleich groß und decken denselben Kreisbogen um die Mitte der Scheibe ab.
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Die Scheibe ist in mindestens zwei Sektoren aufgeteilt, z. B. drei, vier oder mehr Sektoren.
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Somit ist jeder Sektor 5, 6 elektrisch unabhängig von einem anderen. Die Peripherie oder der Bogen eines Sektors 5, 6 ist immer ein Äquipotential. Wenn also eine Elektrode 8 an einem beliebigen Punkt des Bogens eines Sektors 5 und eine weitere Elektrode 9 an einem beliebigen Punkt des Bogens eines anderen Sektors 6 platziert werden, sind alle elektrischen Pfade mit geringerem Widerstand im Wesentlichen radial, von einer Elektrode 8, die an dem Bogen des ersten Sektors 5 angeordnet ist, bis zur Mitte des ersten Sektors 5 und dann von der Mitte des zweiten Sektors 6 bis zu dem Bogen des zweiten Sektors 6, wo sich die Elektrode 9 befindet.
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Somit ermöglicht die Aufteilung der Heizscheibe 4 in Sektoren 5, 6, die nur über die stellenweise Kontakteinrichtung 7 elektrisch verbunden sind, eine homogene Aufheizung einer Heizscheibe 4, bei der die Elektroden 8, 9 nur peripher sind.
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Unter den peripheren Elektroden 8, 9 sollte es mindestens eine Anode und mindestens eine Kathode geben. Ab der dritten Elektrode kann diese unterschiedslos eine Anode oder eine Kathode sein.
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Durch das Aufteilen der Heizscheibe 4 in Sektoren 5, 6 kann die Größe der Materialbögen, aus denen die Heizscheibe 4 besteht, vorteilhafterweise noch weiter reduziert werden. Dies gilt insbesondere für ein Heizelement für ein Schwerlastfahrzeug, bei dem die Heizscheibe 4 einen Durchmesser aufweist, der zwischen 50 und 500 mm, vorzugsweise zwischen 100 und 400 mm und bevorzugter zwischen 220 und 340 mm liegt. Eine Aufteilung der Heizscheibe 4 in zwei oder vier Sektoren 5, 6 ermöglicht somit eine Halbierung der Breite einer Rolle aus Metallfolie, aus der sie besteht, und eine Verringerung von beispielsweise 350 mm auf 175 mm.
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Ein weiteres Merkmal ist, dass die Kontakteinrichtung 7 im Wesentlichen mittig in Bezug auf die Heizscheibe 4 angeordnet ist. Diese Eigenschaft verbessert die Homogenität der elektrischen Pfade und der Heizung.
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Eine Heizscheibe 4, wie sie in 2 veranschaulicht ist, nimmt im Wesentlichen den gesamten Durchgangsbereich der Aufnahme 2 ein. Um diese Eigenschaft auch unter Berücksichtigung der Wärmeausdehnung anzupassen, umfasst eine Heizscheibe 4 an ihrem Umfang vorteilhafterweise flexible Lamellen 13.
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Der Hauptgegenstand der Erfindung ist das Entfallen der mittigen Elektrode. Es ist jedoch durchaus möglich, eine solche mittige Elektrode (nicht dargestellt) anzuordnen. In diesem Fall weist die mittige Elektrode eine Polarität auf, die der Polarität der peripheren Elektrode oder aller anderen peripheren Elektroden entgegengesetzt ist. Wenn also die mittige Elektrode eine Anode ist, ist die periphere Elektrode oder sind alle peripheren Elektroden Kathoden und umgekehrt.
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Wenn eine mittige Elektrode vorhanden ist, ist diese vorteilhafterweise mit der Kontakteinrichtung 7 verbunden.
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Der Hauptgegenstand der Erfindung ist das Entfallen der mittigen Elektrode. Auch ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform keine der mindestens zwei Elektroden 8, 9 mittig. Alle Elektroden sind dann peripher.
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Ein weiteres Merkmal ist, dass jede der mindestens zwei Elektroden 8, 9 an dem Rand mit einem der mindestens zwei Sektoren 5, 6 verbunden ist.
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Auf duale Weise ist gemäß einem weiteren Merkmal jeder der mindestens zwei Sektoren 5, 6 an dem Umfang mit mindestens einer der mindestens zwei Elektroden 8, 9 verbunden.
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Es ist möglich, mehrere Elektroden 8, 9, die notwendigerweise die gleiche Polarität aufweisen, auf demselben Sektor 5, 6 anzuordnen. Es ist jedoch nicht sinnvoll, einen Sektor 5, 6 nicht anzuschließen. Ein nicht angeschlossener Sektor 5, 6 heizt nicht.
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Es wurde zuvor gesehen, dass der Umfang oder Bogen eines Sektors 5, 6 ein Äquipotential ist. Außerdem kann gemäß einem weiteren Merkmal eine Elektrode 8, 9 an jedem Punkt eines Bogens eines Sektors 5, 6 angeschlossen werden. Gemäß einer vorteilhaften Anordnung, die insbesondere in 1 und 3 veranschaulicht ist, ist eine erste der mindestens zwei peripheren Elektroden 8 mit dem Ende eines ersten Sektors 5 verbunden und eine zweite der mindestens zwei peripheren Elektroden 9 ist mit dem Anfang eines zweiten Sektors 6 verbunden, der unmittelbar an den ersten Sektor 5 angrenzt. Eine solche Anordnung ermöglicht es vorteilhafterweise, die erste und die zweite Elektrode 8, 9 näher zusammenzubringen, bis sie benachbart sind. Dieses Merkmal ist vorteilhaft im Hinblick auf die Integration des so hergestellten Heizelements 1, da die Kabel, die die Elektroden 8, 9 verbinden, einfacher außerhalb des Heizelements 1 anzubringen sind.
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Die Elektroden 8, 9 sind unabhängig von ihrer Anordnung fest mit der Heizscheibe 4 verbunden und erfüllen außerdem die Funktion, die Heizscheibe 4 zu tragen und an der Aufnahme 2 zu befestigen. Obwohl mindestens zwei aktive Elektroden 8, 9 für den Stromfluss der Heizung notwendig sind, können auch falsche, elektrisch inaktive Elektroden 10 verwendet werden, um die Heizscheibe 4 zu tragen. Dieses Merkmal ist umso vorteilhafter, als die Heizscheibe 4 durch das Aufteilen in Sektoren 5, 6 verformbarer wird und die mindestens zwei aktiven Elektroden 8, 9 benachbart sind.
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Es wurde gesehen, dass die Anzahl von Sektor 5, 6 mindestens zwei ist. Die Anzahl von Sektor 5, 6 kann somit beliebig sein. Mindestens und wie es in den verschiedenen Figuren veranschaulicht ist, ist die Anzahl an Sektoren 5, 6 zwei.
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Im Vergleich zu einer Heizscheibe gemäß dem Stand der Technik, die aus einem Stück gefertigt sein kann, ist die Steifigkeit einer Heizscheibe 4 gemäß der Erfindung aufgrund der Unterbrechung(en) zwischen zwei Sektoren 5, 6 reduziert. Um der Heizscheibe 4 wieder Steifigkeit zu verleihen, können zwei benachbarte Sektoren 5, 6 vorteilhaft durch eine Bindung, eine Versteifung 16 oder eine Spiralbindung 14, 15 verbunden sein.
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4 und 5 veranschaulichen in einer seitlichen Schnittansicht zwei Ausführungsformen einer Bindung durch eine Versteifung 16. Gemäß einer ersten Ausführungsform, die in 4 veranschaulicht ist, umfasst die Versteifung 16 zwei Teile, die im Wesentlichen geradlinig entlang einer Grenze zwischen zwei benachbarten Sektoren 5, 6 verlaufen, ein oberes und ein unteres, die geeignet sind, ineinander einzugreifen. Wie es in 4 veranschaulicht ist, sind die zwei Teile, das obere und das untere, miteinander in Eingriff, indem die zwei Sektoren 5 und 6 miteinander verklemmt werden. Die Versteifung 16 darf zwischen den zwei Sektoren 5, 6 nicht elektrisch leiten. Auch die Versteifung 16 besteht aus einem elektrisch isolierenden Material, ist mit einem solchen Material beschichtet oder ein solches Material ist zwischen der Versteifung 16 und den Sektoren 5, 6 eingefügt. Somit verhindert das Einklemmen der Versteifung 16 einen elektrischen Kontakt zwischen den Sektoren 5, 6. In dieser Ausführungsform wird die Verbindung zwischen dem oberen und dem unteren Teil der Versteifung 16, z. B. durch eine Presspassung zwischen diesen beiden Teilen, aufrechterhalten.
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Wie es in 5 veranschaulicht ist, werden das obere und das untere Teil mit mehr Spiel als zuvor ineinander gesteckt, um die zwei Sektoren 5 und 6 einzuklemmen sowie ihren Rand so zu verformen, dass er zwischen den zwei Teilen der Versteifung 16 eingefügt ist. Wie zuvor ist die Versteifung 16, elektrisch isolierend. In dieser Ausführungsform wird die Verbindung zwischen dem oberen und dem unteren Teil z. B. durch einen Presssitz zwischen den zwei Teilen der Versteifung 16 aufrechterhalten, wobei die jeweiligen Ränder dazwischen beinhaltet sind.
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Wie es in 6 veranschaulicht ist, umfasst eine Verbindung durch eine Spiralbindung vorteilhafterweise zwei im Wesentlichen geradlinige Stäbe 15, die auf die Trennlinie zwischen den beiden benachbarten Sektoren 5, 6 ausgerichtet sind und damit bündig abschließen. Diese zwei Stäbe 15 sind gegenüberliegend angeordnet, jeweils auf einer Seite der zwei Sektoren 5, 6. Diese Verbindung wird ferner durch eine Spirale 14 ergänzt, die sich entlang der Trennlinie zwischen den beiden Sektoren 5, 6 windet und dabei abwechselnd die Oberfläche des einen Sektors 5 und dann die Oberfläche des anderen Sektors 6 durchquert, um eine Verbindung zu herzustellen. Die Spirale 14 sorgt aufgrund ihrer kreisförmigen Innenform, die komplementär zu dem Außenprofil der Stäbe 15 ist, dafür, dass ein Stab 15 an der Fläche gegenüber der Ränder der Sektoren 5, 6 anliegt. Dies ermöglicht es, eine Anordnung zu bilden, die die Sektoren 5, 6 zusammenhält und dazu neigt, die Anordnung in einer einzigen Ebene zu versteifen.
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Sowohl die Spirale 14 als auch die Stäbe 15 sind gleichzeitig in Kontakt mit den zwei Sektoren 5, 6. Um einen Kurzschluss zu vermeiden, müssen sowohl die Spirale 14 als auch die Stäbe 15 aus einem elektrisch isolierenden Material bestehen, zumindest in Bezug auf ihre Teile, die mit den Sektoren 5, 6 in Kontakt sind.
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Um den in einer Abgasleitung auftretenden Temperaturen von bis zu 800 °C standzuhalten, sind sowohl die Spirale 14 als auch die Stäbe 15 vorzugsweise aus Metall gefertigt, das mit einem Lack oder einer isolierenden Beschichtung, wie z. B. Glimmer oder Keramik überzogen ist.
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In Anbetracht der Brüchigkeit, die der Heizscheibe 4 durch ihr Unterteilen in Sektoren 5, 6 verursacht wird, umfasst das Heizelement 1 gemäß einem weiteren Merkmal, das insbesondere in den 1 und 3 veranschaulicht ist, vorteilhafterweise ferner mindestens eine Halterung 11, 12. Die mindestens eine solche Halterung 11, 12 weist die Form einer Scheibe auf, die den gesamten Durchgangsbereich der Aufnahme 2 einnimmt. Sie ist dazu geeignet, gegen die Heizscheibe 4 zu drücken und an der Aufnahme 2 befestigt zu werden. Sie weist Radien auf, um die Heizscheibe 4 in einer Ebene zu halten, und große Öffnungen, um den Druckverlust gegen die Abgase zu minimieren. Vorzugsweise sind solche Halterungen 11, 12 auf beiden Seiten der Heizscheibe 4 angeordnet.
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Eine Halterung 11, 12, die mit einem oder mehreren Sektoren 5, 6 in Kontakt ist, darf elektrisch nicht leitend sein. Auch eine Halterung 11, 12 besteht aus einem nichtmetallischen Material, wie z. B. Keramik, feuerfesten Fasern oder Glimmer oder aus einem metallischen Material, das mit einer elektrisch isolierenden Schicht bedeckt ist.
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Die Erfindung betrifft ferner eine Gasreinigungsvorrichtung für eine Abgasleitung, umfassend ein Reinigungsorgan und ein solches Heizelement 1, das in der Nähe des Reinigungsorgans angeordnet ist. Das Reinigungsorgan ist z. B. ein Dreiwegekatalysator, ein Dieseloxidationskatalysator, ein SCR-Katalysator oder ein anderer geeigneter Typ. Das Heizelement 1 ist vorteilhafterweise stromaufwärts von dem Reinigungsorgan angeordnet.
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Die Erfindung betrifft ferner eine Abgasleitung, umfassend mindestens ein solches Heizelement 1.
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Die Erfindung wurde in den Zeichnungen und der vorherigen Beschreibung veranschaulicht und ausführlich beschrieben. Diese ist als veranschaulichend und exemplarisch zu verstehen und nicht als Beschränkung der Erfindung auf diese Beschreibung. Viele verschiedene Ausführungsvarianten sind möglich.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Heizelement
- 2
- Aufnahme
- 3
- Leitung
- 4
- Heizscheibe
- 5, 6
- Sektor
- 7
- Kontakteinrichtung
- 8, 9
- Elektrode
- 10
- Falsche Elektrode
- 11, 12
- Halterung
- 13
- Lamellen
- 14
- Spirale
- 15
- Stange
- 16
- Versteifung
