DE4138426A1

DE4138426A1 - Elektrisches heizelement eines russfilters

Info

Publication number: DE4138426A1
Application number: DE19914138426
Authority: DE
Inventors: Hubert Kloeck
Original assignee: Kanthal GmbH
Current assignee: Kanthal GmbH
Priority date: 1991-11-22
Filing date: 1991-11-22
Publication date: 1993-05-27
Also published as: EP0543075A1; JPH05296026A

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Heizelement eines Rußfilters für die Abgase eines Dieselmotors mit einem Filter körper, auf welchen das Heizelement aufbringbar ist, um den von Abgasen durchströmten Filterkörper zur Regeneration auf eine Temperatur zu erwärmen, bei der Rußteilchen des Abgases verbrennen, wobei das Heizelement im wesentlichen zylindrisch aus Blech ausgebildet ist, wobei in dem Blech sich längs einer Öffnungshauptrichtung erstreckende Öffnungen in Öffnungs richtung reihenweise ausgerichtet sind und von Reihe zu Reihe gegeneinander versetzt angeordnet sind und wobei das Heiz element wenigstens zwei voneinander entfernte, sich in je einer Anschlußrichtung erstreckende Stromanschlußelemente aufweist, die im wesentlichen parallel zueinander orientiert sind.

Es sei an dieser Stelle bemerkt, daß unter der Anschlußrich tung der Stromanschlußelemente die Hauptrichtung verstanden wird, in der sich diese Stromanschlußelemente erstrecken, bei den insbesondere bekannten streifenförmigen Anschlußelementen also die Längsrichtung der Streifen. Der Übergang der Strom pfade zwischen einem derartigen Stromanschlußelement und dem Blech des Heizelements ist annähernd rechtwinklig zu der voranstehend definierten Anschlußrichtung.

Derartige bekannte elektrische Heizelemente sollen den zuge hörigen Filterkörper, an dem sie angeordnet sind, gleichmäßig und hoch genug erwärmen, um die Rußteilchen, die sich in dem Filterkörper angesammelt haben, möglichst an jeder Stelle des Filterkörpers, insbesondere auch in der Nähe dessen Austritts endes, sicher zu verbrennen. Andererseits soll jedoch die Temperatur des Heizelements an keiner Stelle zu hoch sein, weil dies eine rasche Zerstörung des Heizelements und unter Umständen auch der Flächenbereiche des Filterkörpers zur Folge hätte, die an dem Heizelement anliegen. Außerdem ist es wünschenswert, die Summe der Öffnungsflächen in dem Filter körper genügend groß zu gestalten, damit ein Rückstau des Abgases zum Dieselmotor nicht zu hoch wird. Mit anderen Worten, es wird ein bestimmter Durchlaßgrad des Heizelements gefordert.

Im einzelnen bekannt sind Heizelemente, die aus einem Streck metall oder einem Lochblech bestehen, abgesehen von anderen Konstruktionen aus Drähten (EP 02 75 372 B1). Im einzelnen können diese bekannten Heizelemente als längs des Mantels geschlossener Zylinder oder offener Zylinder ausgebildet sein. Wenn der Mantel aus einem Lochblech besteht, sind die Löcher rund, haben also keine bestimmte Öffnungshauptrichtung. Sie sind in dem Blech so angeordnet, daß jedes Loch zu den ihm benachbarten Löchern gleiche Abstände aufweist. Auch insofern ist keine Vorzugsrichtung definiert. Infolge dieser Ausbildung und Anordnung der Löcher in dem bekannten Lochblech sind die einzelnen Strompfade, wenn dieses an eine Spannung gelegt wird, annähernd dreieckförmig und relativ kurz. Die Strompfade sind im Querschnitt sehr ungleichmäßig, woraus sich eine stellenweise höhere Temperatur ergibt. Den verhält nismäßig kurzen Strompfaden entspricht ein verhältnismäßig niedriger spezifischer Flächenwiderstand, woraus sich zur Anpassung des elektrischen Widerstands an die Bordspannung und die erforderliche Leistung des Heizelements die Forderung nach einem verhältnismäßig dünnen Blech ableitet. Dessen Lebensdauer ist deswegen nicht so hoch, wie dies in vielen Fällen wünschenswert ist.

Bekannt ist es auch, als Blech des elektrischen Heizelements ein Streckmetall einzusetzen, welches nach Streckung annähernd rombusförmige Öffnungen aufweist. Die Öffnungen verlaufen reihenweise jeweils in Öffnungshauptrichtung und von Reihe zu Reihe gegeneinander versetzt. Da davon ausgegangen werden muß, daß die Öffnungshauptrichtungen in axialer Richtung des Heizelements und die Anschlußrichtungen rechtwinklig dazu in Umfangsrichtung verlaufen, sind die Strompfade verhältnismäßig kurz, woraus sich wiederum ein verhältnismäßig geringer Flächenwiderstand ergibt, der eine geringe Materialstärke bedingt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektrisches Heizelement zu schaffen, mit dem ein verhältnis mäßig hoher spezifischer Flächenwiderstand erreicht wird, so daß zur Erzielung einer langen Lebensdauer des Heizelements dessen Materialstärke verhältnismäßig groß gewählt werden kann. Darüber hinaus soll das Heizelement so ausgebildet sein, daß eine gleichmäßige Erwärmung durch Joule′sche Wärme eintritt, was ebenfalls einer langen Lebensdauer bei guter Rußverbrennung über die Gesamtfläche des Heizelements dienlich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die reihenweise angeordneten Öffnungen in dem Heizelement im wesentlichen parallel zu der Anschlußrichtung orientiert sind. Daraus ergibt sich infolge des an sich bekannten Versatzes der Öffnungen einander benachbarter Reihen eine Stromvertei lung mit annähernd sinusförmigen Strompfaden, die verhältnis mäßig lang sind. Dies bedeutet einen hohen spezifischen Flächenwiderstand, der den Einsatz dicken Blechs für das Heizelement ermöglicht, welches damit auch insofern eine hohe Lebensdauer hat.

Im einzelnen können die Stromanschlußelemente und die reihen weise angeordneten Öffnungen, die in Öffnungshauptrichtung orientiert sind und von Reihe zu Reihe gegeneinander versetzt sind, in Umfangsrichtung des Heizelements angeordnet sein. Dabei umschließen die Stromanschlußelemente vorzugsweise die Enden der Heizelemente, die als geschlossene Zylinder ausge bildet sein können. Damit können bei üblichen Hauptabmessungen des Heizelements - Länge größer als Durchmesser mal π - die größten Flächenwiderstände erzielt werden.

In einer anderen Variante können aber die Stromanschlußelemente und die reihenweise angeordneten Öffnungen, die wiederum in Öffnungshauptrichtung ausgerichtet sind, in axialer Richtung des Heizelements orientiert sein. Unter axialer Richtung wird hier eine Richtung parallel zur Hauptachse des zylindrischen Heizelements verstanden. Diese Heizelemente weisen eine offene zylindrische Form auf, die also eine nicht elektrisch leitende Aussparung in axialer Richtung hat, wobei parallel zu der Aussparung an den angrenzenden Materialenden die Stromanschlußelemente angeordnet sind.

Beide voranstehend genannten Varianten können sowohl mit einem Lochblech ausgeführt werden, wobei das Lochblech Lang löcher als Öffnungen aufweist, die sich in Öffnungshauptrich tung erstrecken, als auch mit reihenweise angeordneten, an nähernd rombusförmigen Öffnungen, die sich ebenfalls mit ihrer Öffnungshauptrichtung in Richtung einer Reihe erstrecken. Die Ausführung mit rombusförmigen Öffnungen, die insbesondere aus Streckmaterial bestehen kann, hat allerdings keinen ganz so günstigen spezifischen Flächenwiderstand wie die Ausführung mit einem Lochblech, aus welchem Langlöcher annähernd kon stanter Breite ausgestanzt sind.

Die Ausführung aus gestanztem Blech, d. h. Lochblech, hat den zusätzlichen Vorteil, daß kein Anschlußstreifen angelötet zu werden braucht.

Das elektrische Heizelement kann besonders vorteilhaft gemäß Anspruch 5 so dimensioniert werden, daß Stege in dem Blech des Heizelements zwischen je zwei in einer Reihe angeordneten Öffnungen etwa doppelt so lang sind wie eine Materialbreite zwischen den Reihen der Öffnungen. Damit wird eine fast gleichmäßige Stromdichte über der wirksamen Fläche des Loch blechs erzielt, mit der Folge einer an allen Stellen guten Rußverbrennung und einer hohen Lebensdauer.

Im übrigen kann die Breite der Strompfade zwischen den benach barten Öffnungen einer Reihe und in dem Material zwischen Reihe zu Reihe in Bezug auf die lichte Weite der Löcher so variiert werden, daß der gewünschte Gesamtwiderstand des elektrischen Heizelements bei vorgegebenen Abmessungen des Filters erreicht wird, wobei außerdem ein gefordertes Maß der Durchtrittsfläche des Abgases berücksichtigt werden kann.

Vier Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen elektrischen Heizelements werden im folgenden anhand einer Zeichnung mit vier Figuren beschrieben, in denen zeigen:

Fig. 1 eine schematisierte schaubildliche Darstellung einer ersten Ausführungsform des Heizelements, im wesentlichen bestehend aus einem Lochblech mit Langlöchern annähernd konstanter Breite,

Fig. 2 eine schematisierte schaubildliche Darstellung einer zweiten Ausführungsform des Heizelements, ebenfalls im wesentlichen bestehend aus einem Lochblech,

Fig. 3 eine schematisierte schaubildliche Darstellung einer weiteren Ausführungsform des Heizelements mit rautenförmigen Öffnungen und

Fig. 4 eine schematisierte schaubildliche Darstellung einer weiteren Ausführungsform des Heizelements, ebenfalls im wesentlichen aus Streckmetall bestehend.

In Fig. 1 ist mit 1 allgemein ein Heizelement bezeichnet, welches im wesentlichen aus einem Lochblech 2 besteht, welches als geschlossener Zylinder geformt ist. An den Enden des zylindrischen Lochblechs 2 sitzen Anschlußelemente 3, 4, die mit dem Lochblech stromleitend verbunden sind. Die Anschluß elemente erstrecken sich in Anschlußrichtungen (Pfeile) 5 und 6 längs des Zylinderumfangs.

Das Lochblech 2 weist ebenfalls in Umfangsrichtung orientierte Langlöcher, z. B. 7, auf, die in parallelen Reihen 8-11 angeordnet sind, wobei die Darstellung in der Zeichnung unvollständig ist. Es ist das gesamte Lochblech zwischen den Anschlüssen 3 und 4 mit solchen Langlöchern versehen. Die Reihen der Langlöcher sind ebenfalls in Öffnungshauptrichtung orientiert, von denen eine mit 12 bezeichnet ist (Pfeil). Wesentlich ist, daß die Öffnungshauptrichtung, die Richtung der Lochreihen und die Anschlußrichtungen der Anschlußelemente 4 und 5 parallel zueinander verlaufen. Weiterhin ist für den gewünschten Stromverlauf wichtig, daß die Langlöcher der auf einanderfolgenden Lochreihen in Umfangsrichtung gegeneinander versetzt sind, wie es sich aus der Darstellung der Lochreihen 8-11 ergibt. Es stellen sich dann Strompfade 13, 14 ein, die mit unterbrochenen Linien angedeutet sind. Die Strompfade verlaufen annähernd sinusförmig und sind gegenüber der Er streckung des Heizelements 1 in axialer Richtung besonders lang.

In Fig. 1 sind Größen für eine bevorzugte Dimensionierung der reihenweisen Langlöcher in dem Lochblech dargestellt, obwohl das gezeigte Lochblech nicht entsprechend der bevorzugten Dimensionierung ausgebildet ist. Bevorzugt ist eine solche Dimensionierung, daß Stege, z. B. der Steg 15, zwischen zwei in einer Reihe angeordneten Öffnungen eine Länge a aufweisen, die etwa doppelt so groß ist wie eine Breite b₂ des Materials des Heizelements zwischen zwei aufeinanderfolgenden Lochreihen, hier Lochreihen 9 und 10. Bei dieser bevorzugten Dimensionie rung haben die Bahnen der Strompfade, z. B. 13, 14, überall etwa den gleichen elektrischen Widerstand, so daß eine gleich mäßige Entwicklung Joule′scher Wärme eintritt, wenn an die Anschlüsse 3 und 4 eine Spannung angelegt wird.

In die Dimensionierung des Heizelements hinsichtlich dessen Gesamtwiderstand bei vorgegebenen Außenabmessungen des Heiz elements geht auch die Länge 1 der Langlöcher ein. Letztere beeinflußt auch die Durchtrittsfläche des im übrigen nicht dargestellten Filters, dessen Bestandteil das Heizelement ist, für hindurchströmende Abgase.

Die Dicke des Lochblechs ist nicht dargestellt, sie ist jedoch wegen des großen spezifischen Flächenwiderstands des Lochblechs verhältnismäßig groß, was eine lange Lebensdauer gewährleistet.

In der Variante gemäß Fig. 2 ist das Heizelement allgemein mit 16 bezeichnet. Es besteht aus einem als offenen Zylinder geformten Lochblech 17, welches also im Bereich einer Ausspa rung 18 nicht geschlossen ist. Parallel zu der Aussparung in Anschlußrichtungen 19, 20 weist das Heizelement zueinander parallele lange Anschlußelemente 21, 22 auf. In dem Lochblech 17 verlaufen die Öffnungshauptrichtungen, z. B. 23, von Lang löchern, z. B. 24, parallel zu den Anschlußrichtungen 19, 20. Die Langlöcher, z. B. 24, sind in zueinander parallelen Reihen versetzt angeordnet, wobei die sich in Öffnungshauptrichtung erstreckenden Reihen mit 25, 26 bezeichnet sind. Die weiteren Reihen Langlöcher sind in Fig. 2 nicht dargestellt.

Analog zu den Dimensionierungsangaben zu der Ausführungsform nach Fig. 1 können auch hier nicht bezeichnete Stege zwischen in einer Reihe aufeinanderfolgenden Langlöchern bezüglich einer Breite des Materials, welches zwischen zwei benachbarten Lochreihen steht, so bemessen werden, daß sich längs hier nicht eingezeichneten Strompfaden gleiche elektrische Wider stände einstellen. Die Strompfade sind hier gegenüber dem Umfang des nicht geschlossenen Zylinders, welcher durch das Lochblech 17 gebildet wird, lang.

Die Ausführungsformen nach den Fig. 3 und 4 zeigen Heiz elemente 27, 28 mit rautenförmigen Öffnungen, hier aus Streck metall 29, 30. Öffnungen, z. B. 31, 32 des Streckmetalls sind in nebeneinanderliegenden Reihen versetzt angeordnet, in der Weise, daß Öffnungshauptrichtungen 33, 34 wiederum parallel zu Anschlußrichtungen 35, 36 von streifenförmigen Anschluß elementen 37, 38 bzw. 39, 40 verlaufen.

Claims

1. Elektrisches Heizelement eines Rußfilters für die Abgase eines Dieselmotors mit einem Filterkörper, auf welchen das Heizelement aufbringbar ist, um den von Abgasen durchström ten Filterkörper zur Regeneration auf eine Temperatur zu erwärmen, bei der Rußteilchen des Abgases verbrennen, wobei das Heizelement im wesentlichen zylindrisch aus Blech aus gebildet ist, wobei in dem Blech sich längs einer Öffnungs hauptrichtung (12, 23, 33, 34) erstreckende Öffnungen (7, 24, 31, 32) in Öffnungshauptrichtung reihenweise ausge richtet sind und von Reihe zu Reihe gegeneinander versetzt angeordnet sind und wobei das Heizelement (1, 16, 27, 28) wenigstens zwei voneinander entfernte, sich in je einer Anschlußrichtung (5, 6, 19, 20) erstreckende Stromanschluß elemente (3, 4, 21, 22, 37, 38, 39, 40) aufweist, die im wesentlichen parallel zueinander orientiert sind, dadurch gekennzeichnet, daß die reihenweise angeordneten Öffnungen (7, 24, 31, 32) im wesentlichen parallel zu der Anschlußrichtung (5, 6, 19, 20) orientiert sind.

2. Elektrisches Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromanschlußelemente (3, 4, 37, 38) und die reihen weise angeordneten Öffnungen (7, 31) in Umfangsrichtung des Heizelements (1, 27) orientiert sind.

3. Elektrisches Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromanschlußelemente (2, 22, 39, 40) und die reihenweise angeordneten Öffnungen (24, 32) in axialer Richtung des Heizelements (16, 28) orientiert sind.

4. Elektrisches Heizelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Blech ein Lochblech (2, 17) ist, welches Langlöcher (7, 24) als Öffnungen aufweist.

5. Elektrisches Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Stege (15) in dem Blech des Heizelements (1) zwischen je zwei in einer Reihe (13) angeordneten Öffnungen etwa doppelt so lang (a) sind wie eine Materialbreite (b₂) zwischen den Reihen (11, 12) der Öffnungen.

6. Elektrisches Heizelement nach einem der Ansprüche 1-3, gekennzeichnet durch ein Streckmetall (29, 30) als Blech mit reihenweisen Öffnungen (31, 32).

7. Elektrisches Heizelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Anschlußelemente (21, 22, 39, 40) durchgehende Blechstreifen an dem die Öffnungen aufweisenden Blech des Heizelements (16, 18) angebracht sind.