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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Reinigung von Abgasen einer Verbrennungskraftmaschine, mit einer aus einem metallischen Wabenkörper gebildeten Heizscheibe, wobei die Heizscheibe aus einer Mehrzahl aufeinandergestapelter und um zumindest eine Drehachse aufgewickelter Metallfolien gebildet ist, wobei die Heizscheibe zwischen den Wicklungslagen Luftspalte aufweist, welche die Wicklungslagen zueinander beabstanden und einen Strompfad entlang der Heizscheibe begrenzen, wobei der Wabenkörper eine Mehrzahl von Strömungskanälen aufweist, die von dem Abgas durchströmbar sind, wobei die Heizscheibe eine Mehrzahl von Stützelementen aufweist. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung.
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Stand der Technik
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Im Stand der Technik sind zur Verbindung von elektrischen Heizscheiben, die als metallischer Wabenkörper ausgebildet sind, und weiteren Wabenkörpern von sogenannten Stützkatalysatoren Stützstifte bekannt, die in Zellen der jeweiligen Wabenkörpern eingesteckt und mittels Lötens dauerhaltbar mit diesen verbunden werden. Die Stützstifte übernehmen hierbei einerseits die räumliche Fixierung der Heizscheibe gegenüber dem Stützkatalysator und andererseits eine elektrische Entkopplung zwischen den beiden Wabenkörpern.
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Die dauerhaltbare Verbindung zwischen den Wabenkörpern und den Stützstiften erfolgt dabei bevorzugt zwischen deren metallischen Hülsen beziehungsweise deren metallischen Seelen und den gewellten Metallfolien des jeweiligen Wabenkörpers.
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Je nach Ausgestaltung der Heizscheibe werden mehr oder weniger Stützstifte vorgesehen, wobei diese gegebenenfalls auch mehrreihig angeordnet sind. Die Stützstifte sind hierbei insbesondere mit Blick auf die thermischen und mechanischen Belastungen derart angeordnet, dass eine möglichst hohe Dauerhaltbarkeit im Betrieb erwartet werden kann.
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Die
DE 10 2016 210 235 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer Wabenstruktur umfassend zumindest eine wenigstens teilweise strukturierte Metallfolie, wobei die Metallfolie in Teilbereichen der Wabenstruktur von einer benachbart angeordneten Metallfolie durch einen Luftspalt elektrisch isoliert beabstandet angeordnet ist, wobei das Verfahren zumindest die folgenden Schritte umfasst
- a. Bereitstellen der zumindest einen Metallfolie;
- b. Bereitstellen eines Formtellers mit einer Auflagefläche und mindestens einer sich in einer axialen Richtung von dem Auflageteller erstreckenden ersten Stegstruktur, wobei sich die erste Stegstruktur zudem in einer Ebene parallel zu der Auflagefläche erstreckt und den in der Wabenstruktur zu erzeugenden Luftspalt abbildet; und
- c. Anordnen der zumindest einen Metallfolie auf der Auflagefläche zwischen der ersten Stegstruktur
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Die
DE 195 36 853 A1 offenbart einen Wabenkörper mit von Fluid durchströmbaren, etwa parallel verlaufenden Kanälen und mit elektrisch beheizbaren Teilbereichen, die durch mindestens einen Spalt teilweise voneinander elektrisch isoliert sind, so dass sich ein gewundener, vorzugsweise etwa mäanderförmiger, Strompfad durch den Wabenkörper ergibt, wobei der Spalt zwischen den Teilbereichen durch mindestens einen elektrisch isolierenden Verbindungssteg stabilisiert ist, der zumindest einen Befestigungspunkt innerhalb eines Teilbereichs aufweist.
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Die
DE 43 01 564 A1 offenbart eine elektrisch isolierende, in allen Richtungen mechanisch belastbare Stützstruktur mit der Möglichkeit zur metallischen Anbindung an voneinander elektrisch getrennte elektrisch leitfähige Bauteile. Als elektrisch isolierendes Material wird ein räumlich, das heißt nahezu von allen Seiten, eingepresstes Keramikmaterial verwendet, wobei das Keramikmaterial zwischen einer ersten und einer zweiten metallischen Struktur angeordnet ist und die beiden Strukturen so geformt sind, dass sie von nahezu allen Seiten Druck auf das Keramikmaterial ausüben, ohne sich jedoch untereinander zu berühren. Besonders günstig ist die Anwendung solcher Stützstrukturen bei elektrisch beheizbaren Wabenkörpern, insbesondere für katalytische Konverter bei Kraftfahrzeugen.
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Nachteilig an den Vorrichtungen aus dem Stand der Technik ist insbesondere, dass eine hohe Anzahl an Stützstiften benötigt wird, was zu hohen Kosten bei der Herstellung führt. Weiterhin ist nachteilig an den bislang bekannten Heizscheiben aus metallischen Wabenkörpern, dass bedingt durch die elektrische Isolation der einzelnen Lagenpakete zueinander ein Luftspalt zwischen den einzelnen Lagen ausgebildet sein muss, wodurch die Wabenkörper instabil werden und insbesondere anfällig für das Auftreten von schädlichen Schwingungsphänomenen infolge von niedrigen Eigenfrequenzen sind. Außerdem stellt der Luftspalt ein Art Bypass dar, durch welchen Abgas ungewollt an der Heizscheibe vorbeiströmen kann.
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Darüber hinaus muss für eine gute Passung zwischen dem Stützstift und der Welllage des Wabenkörpers eine gezielte Anpassung der Welllage hinsichtlich ihrer Zelldichte und Kontur erfolgen, da es ansonsten während des Lötvorgangs zu Fehlstellen und Nichtanbindungen kommen kann, wodurch die strukturelle Integrität negativ beeinträchtigt werden würde.
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Weiterhin führen die Stützstifte zu einer Blockade der jeweiligen Zelle, in die sie eingesteckt sind, wodurch diese Zellen beziehungsweise Strömungskanäle nicht mehr für die Abgasnachbehandlung zur Verfügung stehen.
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Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, Vorteile
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Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung mit einer elektrisch beheizbaren Heizscheibe zu schaffen, welche einen optimierten Aufbau aufweist und gegebenenfalls mittels geeigneten Stützelementen an einem vorgelagerten oder nachgelagerten Stützkatalysator angebunden werden kann.
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Die Aufgabe hinsichtlich der Vorrichtung wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Reinigung von Abgasen einer Verbrennungskraftmaschine, mit einer aus einem metallischen Wabenkörper gebildeten Heizscheibe, wobei die Heizscheibe aus einer Mehrzahl aufeinandergestapelter und um zumindest eine Drehachse aufgewickelter Metallfolien gebildet ist, wobei die Heizscheibe zwischen den Wicklungslagen Luftspalte aufweist, welche die Wicklungslagen zueinander beabstanden und einen Strompfad entlang der Heizscheibe begrenzen, wobei der Wabenkörper eine Mehrzahl von Strömungskanälen aufweist, die von dem Abgas durchströmbar sind, wobei die Heizscheibe eine Mehrzahl von Stützelementen aufweist, wobei die Stützelemente der Heizscheibe in die zwischen den Wicklungslagen ausgebildeten Luftspalte eingesetzt sind.
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Durch das Einsetzen der Stützelemente in die Luftspalte, welche zwischen den einzelnen Wicklungslagen ausgebildet sind, wird eine Verbindung zwischen den einzelnen Wicklungslagen erzeugt und die einzelnen Wicklungslagen könne sich gegeneinander abstützen. Durch die gegenseitige Abstützung wird die Stabilität einer so erzeugten Heizscheibe deutlich erhöht, wodurch die Dauerhaltbarkeit insbesondere im Hinblick auf mechanische Belastungen der Heizscheibe, welche durch das Schwingen der Heizscheibe selbst und/oder der restlichen Komponenten in einem Abgasstrang erzeugt werden können, verbessert wird. Insbesondere wird durch das Einsetzen der Stützelemente und durch das Verbinden der Wicklungslagen miteinander die Anzahl der unterschiedlichen Biegeeigenfrequenzen der Heizscheibe reduziert.
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Durch die Erhöhung der Stabilität der Heizscheibe kann weiterhin eine Vielzahl an üblicherweise verwendeten Stützelementen eingespart werden, da die Anzahl an Anbindungspunkten zu einem die Heizscheibe abstützenden Stützkatalysator drastisch verringert werden kann.
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Bevorzugt werden die Stützelemente ausschließlich in die Luftspalte eingesetzt, wodurch mehrere Vorteile erreicht werden. Einerseits werden die in der Heizscheibe ausgebildeten Strömungskanäle nicht durch die Stützelemente verblockt. Alle Strömungskanäle können somit mit dem Abgas durchströmt werden, wodurch der eigentliche Zweck der Heizscheibe, nämlich die Aufheizung des Abgases verbessert werden kann. Darüber hinaus müssen die Stützelemente nicht mehr an die Geometrie der ausgebildeten Strömungskanäle angepasst werden. Hierdurch kann die Teilevielfalt reduziert werden, was eine einfache Produzierbarkeit ermöglicht. Außerdem können so beispielweise niederzellige Heizscheiben, wie sie beispielswiese in LKW-Anwendungen Verwendung finden, mit lediglich 50 oder 75 Zellen per square inch (cpsi) mit normalen Stützelementen positioniert werden, die normalerweise zu schmal für die Zellgrößen der Heizscheibe wären.
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Weiterhin wird der Luftspalt, der zwingend eine ungewollte Bypasswirkung erzeugt, indem Abgas durch diesen Luftspalt hindurchströmt, zumindest teilweise durch die Stützelemente verblockt. Weiterhin wird durch die erfindungsgemäße Positionierung der Stützelemente eine homogenere Aufheizung der Heizscheibe ermöglicht.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass die in die Luftspalte eingesetzten Stützelemente mit jeweils beiden den Luftspalt in radialer Richtung begrenzenden Wicklungslagen in Anlage sind und mit diesen dauerhaltbar verbunden sind. Hierdurch wird einerseits eine hohe Stabilität der Heizscheibe erzeugt und andererseits kann gezielt auf die Ausbildung des Strompfades eingewirkt werden, welcher sich für den Strom zwischen den beiden elektrischen Anschlüssen der Heizscheibe ergibt. Durch die Wahl eines Stützelementes, welches keine elektrische Isolation aufweist, können zwei Wicklungslagen in einen elektrisch leitenden Kontakt miteinander gebracht werden, wodurch der Strompfad verbreitert werden kann. Auch kann so gezielt ein Bereich der Heizscheibe stärker bestromt werden, um beispielsweise eine verbesserte Wärmeverteilung über die Heizscheibe hinweg sicherzustellen. Durch elektrisch leitfähige Stützelemente werden sogenannte diskrete Strombrücken gebildet, die den Stromfluss beeinflussen.
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Durch die Wahl von Stützelementen, welche eine elektrisch isolierende Wirkung, etwa durch eine geeignete Beschichtung oder eine elektrisch isolierende Lage, haben, können Wicklungslagen gezielt elektrisch voneinander isoliert werden.
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Auch ist es zu bevorzugen, wenn zumindest eine erste Anzahl der Stützelemente durch Stützstifte gebildet sind, wobei die Stützstifte eine stiftförmige Seele aufweisen, die endseitig in einem elektrisch isolierenden Material eingefasst sind, wobei das elektrisch isolierende Material an seinem Außenumfang zwei Bereiche mit einer metallischen Beschichtung aufweisen, wobei die Bereiche nicht miteinander in einem elektrisch leitfähigen Kontakt stehen, wobei die Stützstifte in axialer Erstreckungsrichtung der Heizscheibe über die Heizscheibe hinausstehen.
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Die ersten Stützelemente sind wie gewöhnliche Stützstifte gebildet. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass diese an einem Endbereich in der Heizscheibe, genauer im Luftspalt der Heizscheibe, eingesteckt sind und an ihrem gegenüberliegenden Endbereich mit einer Stützstruktur, beispielsweise einem vorgelagerten oder nachgelagerten Stützkatalysator verbunden sind. Je nach Anwendungsfall können die Stützstifte eine elektrische Isolation aufweisen oder elektrisch leitfähig ausgebildet sein. Ein isolierender Stützstift besitzt regelmäßig eine metallische Seele, welche in den Endbereichen mit einer elektrisch isolierenden Schicht umfasst ist, wobei die isolierende Schicht, regelmäßig eine Keramik, zwei nicht miteinander verbundene mit einer metallischen Beschichtung versehene Bereiche aufweist, über welche eine dauerhaltbare Verbindung zu den Strukturen der Heizscheibe oder des Stützkatalysators hergestellt werden kann. Die Keramik kann hierzu beispielsweise einen ovalen Querschnitt aufweisen, wobei zwei, bevorzugt an gegenüberliegenden Bereichen des Außenumfangs der Keramik angeordnete Bereiche, mit einer metallischen Schicht beaufschlagt sind. Diese metallisierten Bereiche dienen zur Verbindung des Stützelementes mit den Metallfolien der Heizscheibe, beispielsweise durch Löten.
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Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn die Heizscheibe eine zweite Anzahl durch Spacer gebildete Stützelemente aufweist, wobei die Spacer zueinander benachbarte Wicklungslagen zueinander beabstanden und nicht oder nur unwesentlich in axialer Erstreckungsrichtung der Heizscheibe über die Heizscheibe hinausstehen.
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Im Gegensatz zu den ersten Stützelementen weisen die zweiten Stützelemente keine metallische Seele auf, die über die Heizscheibe hinaus steht. Die zweiten Stützelemente dienen nicht der Positionierung der Heizscheibe gegenüber einer anderen Struktur, sondern lediglich der Fixierung der Wicklungslagen zueinander. Die zweiten Stützelemente, welche auch Spacer genannt werden, werden in den Luftspalt eingesteckt und mit den angrenzenden Wicklungslagen verbunden. Dadurch wird die Stabilität der Heizscheibe erhöht, der Luftspalt sicher ausgebildet und je nach Ausführung der Spacer eine diskrete Strombrücke zwischen den Wicklungslagen erzeugt oder einen elektrische Isolation der Wicklungslagen zueinander.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die ersten Stützelemente an einem ihrer Endbereiche eine elektrisch isolierende Schicht aufweisen, welche die Seele gegenüber dem Wabenkörper, in welchen der jeweilige Endbereich eingesteckt ist, elektrisch isoliert. Die elektrisch isolierende Schicht kann beispielsweise durch eine Keramik gebildet sein.
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Auch ist es zu bevorzugen, wenn die ersten Stützelemente einen im Querschnitt ovalen Endbereich aufweisen, wobei der Endbereich durch die metallische Seele, die keramische Isolationsschicht und zwei metallisch beschichtete Bereiche der Isolationsschicht gebildet ist, wobei die metallisch beschichteten Bereiche nicht miteinander in elektrisch leitfähigem Kontakt stehen. Die Querschnittsform der Stützelemente kann frei gewählt werden, da sie nicht mehr abhängig von der jeweiligen Geometrie der Strömungskanäle des Wabenkörpers gestaltet werden muss. Ein ovaler Querschnitt ist jedoch besonders vorteilhaft für eine Positionierung in dem Luftspalt, um eine ausreichend große Kontaktfläche zwischen den Wicklungslagen und dem Stützelement herzustellen. Außerdem weisen Stützelemente mit einem ovalen Querschnitt eine hohe Festigkeit auf.
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Auch ist es zweckmäßig, wenn die Heizscheibe mittels der ersten Stützelemente gegenüber einem als Stützkatalysator dienenden Wabenkörper fixiert ist, wobei die Heizscheibe mittels der über die Heizscheibe hinausstehenden Abschnitte der Stützstifte an dem Wabenkörper des Stützkatalysators fixiert ist. Die dem Stützkatalysator zugewandten Endbereiche der Stützelemente werden in einzelne Strömungskanäle des Stützkatalysators eingesteckt, weswegen die Stützelemente in diesem Bereich bevorzugt an die Zellgeometrie des Stützkatalysators angepasst sind.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die ersten Stützelemente einseitig in den zwischen den Wicklungslagen ausgebildeten Luftspalt der Heizscheibe eingreifen und mit der anderen Seite in einen Strömungskanal des Wabenkörpers des Stützkatalysators eingreifen.
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Die Aufgabe hinsichtlich des Verfahrens wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 7 gelöst.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die folgenden Verfahrensschritte ausgeführt werden:
- a. Metallfolien zu einem Lagenstapel aufeinanderstapeln
- b. Auflegen des erzeugten Lagestapels auf einen drehbar gelagerten Spiralteller, der Mittel zur Positionierung und/oder Fixierung des aus den Metallfolien gebildeten Lagenstapels aufweist,
- c. Einstecken von zumindest einem Stützelement in eine dafür vorgesehene Aussparung im Spiralteller,
- d. Aufwickeln des Lagenstapelts durch Drehen des Spiraltellers um zumindest eine Drehachse
- e. Verlöten des aufgewickelten Lagenstapels und dem zumindest einen eingesteckten Stützelement..
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Heizscheiben werden bevorzugt mittels eines Drehtellers oder Spiraltellers aufgewickelt. Die aus den Metallfolien gebildeten Lagenstapel werden dazu in eine auf den Spiralteller aufgebrachte Matrix eingedreht. Die Matrix, welche aus Wandabschnitten gebildet ist, bildet beim Aufdrehen die späteren Luftspalte aus.
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Der Spiralteller weist bevorzugt eine Mehrzahl von Aufnahmen auf, in welche jeweils ein Stützelement eingesteckt werden kann. Die Aufnahmen sind so über den Spiralteller verteilt, dass eine für die jeweilige Heizscheibe vorteilhafte Positionierung der Stützelemente erreicht wird. Die Aufnahmen sind im Bereich der die Luftspalte ausbildenden Wandabschnitte des Spiraltellers angeordnet, um sicherzustellen, dass die Stützelemente in der fertigen Heizscheibe in den Luftspalten positioniert sind.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Spiralteller zumindest einen Wandabschnitt aufweist, welche als Mittel zur Positionierung des Lagenstapels dient, wobei die Aussparung für das zumindest eine Stützelement in dem Wandabschnitt angeordnet ist.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn der Spiralteller von einer Grundplatte senkrecht abragende Wandabschnitte aufweist, welche die in der fertigen Heizscheibe die Luftspalte ausbildenden Räume einnehmen. Durch die Positionierung und Formgebung der Wandelemente kann die Form und Struktur der Heizscheibe auf einfache Weise beeinflusst werden.
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Auch ist es zweckmäßig, wenn als Stützelemente sowohl erste durch Stützstifte gebildete Stützelemente als auch zweite durch Spacer gebildete Stützelemente verwendet werden.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen und in der nachfolgenden Figurenbeschreibung beschrieben.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
- 1 eine perspektivische Ansicht eines Spiralteller mit in die Aussparungen eingesteckten Stützelementen,
- 2 eine perspektivische Ansicht gemäß 1, wobei ein entsprechender Lagenstapel in den Spiralteller eingedreht ist, wobei ersichtlich wird, dass die Stützelemente im Bereich der Luftspalte angeordnet sind,
- 3 eine Schnittansicht durch den Spiralteller gemäß 1, und
- 4 eine Aufsicht auf zwei Heizscheiben, wobei die linke Heizscheibe den Stand der Technik zeigt und die rechte Heizscheibe eine erfindungsgemäße Heizscheibe mit Stützelementen im Luftspalt der Heizscheibe.
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Bevorzugte Ausführung der Erfindung
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Die 1 zeigt einen Spiralteller 1, welcher eine Mehrzahl von Stützelementen 2 aufweist, die in Aufnahmen eingesteckt sind. Im Ausführungsbeispiel der 1 sind die Aufnahmen derart angeordnet, dass die Stützelemente 2 in Reihen angeordnet sind. Dies ist lediglich beispielhaft. Bevorzugt sind die Stützelemente 2 nicht reihenartig über den Spiralteller 1 verteilt angeordnet, sondern entsprechend des Belastungsprofils derart, dass sich eine stabile Heizscheibe ergibt und sich gleichzeitig eine passende Anbindung an einen nicht gezeigten Stützkatalysator erzeugen lässt.
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Die Stützelemente 2 sind einerseits Stützstifte 3 und andererseits Spacer 4. Abweichend zur 1 können auch abwechselnd Stützstifte 3 und Spacer 4 angeordnet sein.
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Die Wandabschnitte 5 dienen der Formgebung des nicht gezeigten Lagenstapels, welcher in den Spiralteller 1 eingedreht wird.
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2 zeigt einen Spiralteller 1 gemäß 1. Der Lagenstapel 6 ist hier zwischen die Wandabschnitte 5 eingedreht, wodurch es zu einer Umformung des Lagenstapels kommt und die Grundform der Heizscheibe ausgebildet wird. Durch einen an das Aufwickeln angeschlossenen Lötvorgang werden die Stützelemente 2 mit dem Lagenstapel 6 verbunden und die Heizscheibe ist somit in ihrer Form fixiert.
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3 zeigt einen Schnitt durch einen Spiralteller 1. Hierbei ist zu erkennen, dass die Aufnahmen für die Stützelemente durch Vertiefungen im Spiralteller 1 und durch Aussparungen in den Wandabschnitten 5 gebildet sind. Dies führt dazu, dass die Stützelemente 2 einfach in den Spiralteller eingesteckt werden können und durch die Wandabschnitte 5 an ihrer Position fixiert werden. Weiterhin ist zu erkennen, dass durch die Aussparungen in den Wandabschnitten 5 sichergestellt ist, dass die Stützelemente 2 beidseitig mit dem in den Spiralteller 1 eingedrehten Lagenstapel in Anlage kommen und so eine sichere Verbindung zwischen den Stützelementen 2 und dem Lagenstapel hergestellt werden kann.
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4 zeigt auf der linken Seite eine Aufsicht auf eine Stirnseite einer konventionellen Heizscheibe, wobei die Stützelemente in die Strömungskanäle der Heizscheibe eingesteckt und dort mit der Heizscheibe verbunden sind.
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Im Gegensatz dazu zeigt die 4 auf der rechten Seite eine Aufsicht auf eine Stirnseite einer erfindungsgemäßen Heizscheibe 7, wobei die Stützelemente 2 ausschließlich im Luftspalt 8 der Heizscheibe 7 angeordnet sind und mit den an den Luftspalt 8 angrenzenden Metallfolien der Heizscheibe 7 verbunden sind.
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Die Ausführungsbeispiele der 1 bis 4 weisen insbesondere keinen beschränkenden Charakter auf und dienen der Verdeutlichung des Erfindungsgedankens.
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Bezugszeichenliste
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- 1.
- Spiralteller
- 2.
- Stützelemente
- 3.
- Stützstift
- 4.
- Spacer
- 5.
- Wandabschnitt
- 6.
- Lagenstapel
- 7.
- Heizscheibe
- 8.
- Luftspalt
