Hintergrund der Erfindung
(1) Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Heizeinheit, die auf geeignete Weise zur
Reinigung von Kfz-Abgasen usw. verwendet werden kann.
(2) Stand der Technik
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Neben bisher bekannten porösen Keramikwabenstrukturen hat sich die Aufmerksamkeit
in letzter Zeit auf metallische Wabenstrukturen gerichtet, die als Katalysator,
Katalysatorträger oder dergleichen zur Umwandlung der Stickoxide (NOX), des
Kohlenmonoxids (CO) und der Kohlenwasserstoffe (HC) verwendet werden, die in den aus
Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen usw. abgegebenen Abgasen enthalten sind.
Unterdessen besteht, da die Abgasbestimmungen strenger geworden sind, der starke
Wunsch, ein Heizgerät oder dergleichen zu entwickeln, mit dem Emissionen während
des Motor-Kaltstarts verringert werden können.
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Als Beispiel für die Wabenstrukturen ist beispielsweise eine Technik bekannt, die in der
(offengelegten) japanischen Gebrauchsmusteranmeldung Veröffentlichungsnummer
67609/1988 geoffenbart wird. Dieses Dokument offenbart einen katalytischen
Konverter, der (1) einen monolithischen Hauptkeramikkatalysator und (2) einen
monolithischen Metallkatalysator umfaßt, der fähig ist, Wärme zu erzeugen, wenn er
elektrifiziert wird, und der weiters einen metallischen Träger und darauf aufgetragenes
Aluminiumoxid umfaßt und stromauf vom monolithischen Hauptkatalysator, aber nahe
daran vorgesehen ist.
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Beim katalytischen Konverter, der in der (offengelegten) japanischen
Gebrauchsmusteranmeldung Nr. 67609/1988 geoffenbart wird, ist der metallische monolithische
Katalysator (2) einfach ein Vorheizgerät, das fähig ist, Wärme zu erzeugen, wenn
elektrischer Strom von der Mitte der metallischen Wabenstruktur vom Folientyp zum
Außenumfang fließt, und der kein Widerstandseinstellmittel aufweist (d. h., daß nur das
Material, die Abmessung und die Rippendicke der Wabenstruktur festgelegt sind und
kein Widerstandseinstellmittel vorgesehen ist) und demgemäß keine entsprechende
Temperaturanstiegseigenschaft aufweist.
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Daher hat die Anmelderin der vorliegenden Erfindung in der (offengelegten) japanischen
Patentanmeldung Veröffentlichungsnummer 295184/l 991 (3-295184) bereits ein
Heizgerät geoffenbart, das eine Wabenstruktur und zumindest zwei an der
Wabenstruktur befestigte Elektroden zu deren Elektrifizierung aufweist, worin die
Wabenstruktur ein Widerstandseinstellmittel (z. B. Schlitze) zwischen den Elektroden
aufweist und die offenen Enden der Schlitze (die Abschnitte der Schlitze an der
Peripherie der Wabenstruktur) mit einem hitzebeständigen anorganischen Kleber vom
Zirkondioxidtyp gefüllt sind. Die Anmelderin hat in der (offengelegten) japanischen
Patentanmeldung Nr. 241715/1992 (4-241715), die der US-A-5202548 entspricht, auch
ein Verfahren geoffenbart, bei dem ein Wabenheizgerät in einem Gehäuse gehalten
wird, indem die Peripherie des Wabenheizgeräts über ein Isoliermaterial (z. B. eine
Keramikmatte, ein Keramiktuch oder dergleichen) mit einem metallischen Band bedeckt
wird. Weiters offenbart die Veröffentlichung Nr. 241715/1992 ein Verfahren zum
Ausbilden eines isolierenden Schutzfilms auf der Oberfläche des Bandes oder eines
Rings durch Beschichten des Bandes oder Rings mit einem Keramikmaterial (z. B. Al&sub2;O&sub3;
oder ZrO&sub2;) durch Flammspritzen usw..
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Die Anmelderin der vorliegenden Erfindung hat weiters in der (offengelegten)
japanischen Patentanmeldung Veröffentlichungsnummer 366584/1992 (4-366584) eine
Heizeinheit vorgeschlagen, umfassend (1) ein Heizgerät mit einstellbarem Widerstand,
worin zumindest ein Teil des Widerstandseinstellmittels mit einem isolierenden
Keramikmaterial (z. B. Glasemail) beschichtet ist oder ein metallischer Abstandshalter,
der mit einem isolierenden Keramikmaterial beschichtet ist, in das offene Ende eines
jeden Schlitzes (Widerstandseinstellmittels) eingesetzt ist, und (2) ein mit einem
isolierenden Keramikmaterial beschichtetes Gehäuse, um das Heizgerät (1) darin zu
halten.
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Bei jeder der obigen Techniken wird das Widerstandseinstellmittel isoliert und
geschützt. Unter den harten Fahrbedingungen (insbesondere Vibration und thermischer
Schock) von Kraftfahrzeugen kann es beim Heizgerät der Veröffentlichung Nr.
295184/1991 zum Lösen des anorganischen Klebers kommen; und beim Heizgerät der
Veröffentlichung Nr. 241715/1992 kann es aufgrund der Vibrationen in horizontale und
vertikale Richtung zur Verformung des Heizgeräts, zum Brechen des Abstandshalters
und zur Abnutzung der Isolationsmatte kommen. Bei der Heizeinheit der
Veröffentlichung Nr. 366584/1992, der japanischen Patentanmeldung Nr. 167645/1991
werden die obigen Probleme weitgehend gelöst; es müssen aber alle Abschnitte, durch
die elektrischer Strom fließen soll, mit einem Keramikmaterial beschichtet werden, und
daher ist die Technik nicht einfach.
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Um das eine Batterie und Kabel umfassende Heizsystem leichter zu machen oder eine
höhere Abgasreinigung zu erzielen, ist es wünschenswert, ein Heizgerät in der Nähe
(z. B. Krümmerposition) des Motors zu installieren, so daß eine solche Installation ein
Abgas auf eine höhere Temperatur erwärmen kann und es daduth ermöglichen kann,
daß der Katalysator seine katalytische Aktivität rascher aufweist. Wenn ein Heizgerät
jedoch in der Krümmerposition vorgesehen ist, sind die Vibrationen stark (etwa 30 G);
die Hauptrichtung der Vibration ist eine vertikale Richtung, wobei es sich um die
gleiche Richtung handelt wie jene des Abgasstroms durch die Heizgeräteeinheit;
darüber hinaus ist der auf die Heizgeräteeinheit ausgeübte thermische Schock größer.
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Die US-A-5177961 veranschaulicht einen elektrisch heizbaren katalytischen Konverter
mit einem Metallgehäuse, in dem eine gewellte Metallblechwabe durch eine
Isolationshülle gehalten wird. Eine Elektrode besteht in einem Pfeiler, der an einer Umfangswand
der Wabe befestigt ist, und erstreckt sich durch eine Isolationshülse, die in einer
Öffnung des Gehäuses montiert ist, um sie an einem Stromkabel außerhalb des
Gehäuses zu befestigen.
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Die vorliegende Erfindung ist in Hinblick auf die obengenannten Probleme mit dem
Stand der Technik gemacht worden. Gemäß vorliegender Erfindung wird eine
Heizgeräteeinheit bereitgestellt, wie in Anspruch 1 dargelegt.
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In der nachstehenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen werden
zuerst unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 28 Verfahren zum Montieren des
Wabenheizgeräts im Gehäuse und danach unter Bezugnahme auf die Fig. 29 bis 32
Elektrodenstrukturen beschrieben, die Ausführungsformen der Erfindung darstellen.
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Die Fig. 1(A) und 1(B) zeigen ein Beispiel für das gemäß vorliegender Erfindung
verwendete Wabenheizgerät. Fig. 2(A) ist eine Draufsicht, und Fig. 1 (8) ist eine
Seitenansicht.
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Die Fig. 2(A) und 2(B) zeigen ein Beispiel für das gemäß vorliegender Erfindung
verwendete Stützelement. Fig. 1(A) ist eine Draufsicht, und Fig. 2(B) ist eine
Seitenansicht.
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Fig. 3 ist eine Teilschnittansicht, die ein Beispiel für die Peripherie des gemäß
vorliegender Erfindung verwendeten Wabenheizgeräts zeigt.
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Die Fig. 4(A) und 4(B) zeigen ein Beispiel für das Wabenheizgerät mit einem
Stützelement, wie gemäß vorliegender Erfindung verwendet. Fig. 4(A) ist eine Draufsicht,
und Fig. 4(B) ist eine Seitenansicht.
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Fig. 5 ist eine teilweise aufgeschnittene Schnittansicht, die ein Beispiel der Heizeinheit
gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigt.
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Fig. 6 ist eine Teilschnittansicht, die ein Beispiel für die Verbindung eines
Wabenheizgeräts und eines Gehäuses über ein Stützelement zeigt, wie gemäß vorliegender
Erfindung verwendet.
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Fig. 7 ist eine Draufsicht, die ein Beispiel für das Wabenheizgerät mit einem
Stützelement zeigt, wie gemäß vorliegender Erfindung verwendet.
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Die Fig. 8(A), 8(B) und 8(C) zeigen ein Beispiel für die Verbindung eines
Wabenheizgeräts und eines Gehäuses über ein Stützelement, wie gemäß vorliegender
Erfindung verwendet. Fig. 8(A) ist eine Draufsicht; Fig. 8(B) ist eine Schnittansicht an
einer Linie A-A von Fig. 8(A); und Fig. 8(C) ist eine Seitenansicht, die einen Teilschnitt
zeigt.
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Die Fig. 9(A) und 9(B) zeigen ein weiteres Beispiel für das gemäß vorliegender
Erfindung verwendete Stützelement. Fig. 9(A) ist eine Draufsicht, und Fig. 9(B) ist eine
Seitenansicht.
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Die Fig. 10(A) und 10(B) zeigen ein weiteres Beispiel für die gemäß dem ersten Aspekt
der Erfindung verwendete Heizeinheit. Fig. 10(A) ist eine Draufsicht, und Fig. 10(B) ist
eine Seitenansicht.
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Die Fig. 11(A) und 11(B) zeigen wieder ein anderes Beispiel für die gemäß dem ersten
Aspekt der Erfindung verwendete Heizeinheit. Fig. 11(A) ist eine Draufsicht, und Fig.
11(B) ist eine Seitenansicht.
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Die Fig. 12(A) und 12(B) zeigen wieder ein anderes Beispiel für die gemäß dem ersten
Aspekt der vorliegenden Erfindung verwendeten Heizeinheit. Fig. 12(A) ist eine
Draufsicht, und Fig. 12(B) ist eine Schnittansicht an der Linie B-B von Fig. 12(A).
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Fig. 13 zeigt das bei der Heizeinheit von Fig. 12 verwendete Stützelement.
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Fig. 14 zeigt ein Beispiel für die Verbindung eines Wabenheizgerät mit (einem)
Stützelement(en), wie gemäß vorliegender Erfindung eingesetzt.
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Fig. 15 zeigt ein Beispiel für die Verbindung eines Wabenheizgeräts mit (einem)
Stützelement(en), wie gemäß vorliegender Erfindung eingesetzt.
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Fig. 16 zeigt ein Beispiel für die Verbindung eines Wabenheizgeräts mit (einem)
Stützelement(en), wie gemäß vorliegender Erfindung eingesetzt.
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Fig. 17 zeigt ein Beispiel für die Verbindung eines Wabenheizgeräts mit (einem)
Stützelement(en), wie gemäß vorliegender Erfindung eingesetzt.
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Fig. 18 zeigt ein Beispiel für die Verbindung eines Wabenheizgeräts mit (einem)
Stützelement(en), wie gemäß vorliegender Erfindung eingesetzt.
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Fig. 19 ist eine Teilschnittansicht, die ein weiteres Beispiel für die Peripherie des gemäß
vorliegender Erfindung eingesetzten Wabenheizgeräts zeigt.
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Fig. 20 ist eine Teilschnittansicht, die wieder ein anderes Beispiel für die Peripherie des
gemäß vorliegender Erfindung verwendeten Wabenheizgeräts zeigt.
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Fig. 21 zeigt ein Beispiel für die Verbindung eines Wabenheizgeräts und eines
Gehäuses über (ein) Stützelement(e), wie gemäß vorliegender Erfindung eingesetzt.
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Die Fig. 22(A) und 22(B) zeigen wieder ein anderes Beispiel für die Heizeinheit gemäß
dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung. Fig. 22(A) ist eine Teildraufsicht, und
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Fig. 22(B) ist eine Schnittansicht entlang der Linie C-C von Fig. 22(A).
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Die Fig. 23(A) und 23(B) zeigen wieder ein anderes Beispiel für die Heizeinheit gemäß
dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung. Fig. 23(A) ist eine Teildraufsicht, und
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Fig. 23(B) ist eine Schnittansicht entlang der Linie D-D von Fig. 23(A).
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Fig. 24 zeigt ein Beispiel für die Verbindung eines Wabenheizgeräts und eines
Stützelements, wie gemäß vorliegender Erfindung eingesetzt.
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Fig. 25 zeigt ein Beispiel für die Verbindung eines Wabenheizgeräts und eines
Stützelements, wie gemäß vorliegender Erfindung eingesetzt.
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Fig. 26 zeigt ein Beispiel für die Verbindung eines Wabenheizgeräts und eines
Stützelements, wie gemäß vorliegender Erfindung eingesetzt.
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Fig. 27 zeigt ein Beispiel für die Verbindung eines Wabenheizgeräts und eines
Stützelements, wie gemäß vorliegender Erfindung eingesetzt.
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Fig. 28 zeigt ein Beispiel für die Verbindung eines Wabenheizgeräts und eines
Stützelements, wie gemäß vorliegender Erfindung eingesetzt.
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Fig. 29 zeigt eine Teilschnittansicht, die ein Beispiel für die gemäß dem zweiten Aspekt
der vorliegenden Erfindung verwendete Elektrodenstruktur zeigt.
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Fig. 30 ist eine Draufsicht, die ein Beispiel für die Heizeinheit des ersten Aspekts der
vorliegenden Erfindung zeigt, die die gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden
Erfindung verwendete Elektrodenstruktur aufweist.
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Die Fig. 31(A) und 31(B) zeigen ein weiteres Beispiel für die gemäß dem zweiten
Aspekt der vorliegenden Erfindung verwendete Elektrodenstruktur. Fig. 31(A) ist eine
Teilschnittansicht von vorne gesehen, und Fig. 31(B) ist eine Teilschnittansicht von der
Seite gesehen.
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Fig. 32 ist eine Teilschnittansicht, die ein Beispiel für die gemäß dem dritten Aspekt der
vorliegenden Erfindung verwendete Elektrodenstruktur zeigt.
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Fig. 33 ist eine Teilschnittansicht, die ein Beispiel für die herkömmliche
Schnellmontage-Elektrodenstruktur zeigt.
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Fig. 34 ist eine Teilschnittansicht, die ein Beispiel für die in Vergleichsbeispiel 1
verwendete Struktur zum Halten eines Wabenheizgeräts zeigt.
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Fig. 35 ist eine Teilschnittansicht, die ein Beispiel für die in Vergleichsbeispiel 2
verwendete Struktur zum Halten eines Wabenheizgeräts zeigt.
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Bei den hierin veranschaulichten Heizeinheiten wird das Wabenheizgerät durch die
folgenden drei Haltemodi im Gehäuse gehalten.
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(1) Das Wabenheizgerät wird über zumindest ein metallisches Stützelement im
Gehäuse gehalten (erster Haltemodus).
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(2) Das Wabenheizgerät wird über zumindest eine Elektrode und zumindest ein
metallisches Verbindungselement im Gehäuse gehalten (zweiter Haltemodus).
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(3) Das Wabenheizgerät ist direkt mit zumindest einer Elektrode verbunden, und jede
Elektrode ist über ein Pufferelement am Gehäuse befestigt (dritter Haltemodus).
In jedem der drei Haltemodi muß ein Isolationselement zwischen dem Wabenheizgerät
und dem Gehäuse angeordnet sein.
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Bei den obigen Haltemodi weist das Stützelement eine solche Struktur auf, daß es die
Verlagerung des Wabenheizgeräts absorbiert, die in eine Richtung senkrecht zur
Richtung eines Gases auftritt, das durch die Heizeinheit strömt, und es hat die Funktion,
das Wabenheizgerät gegen seine in der Gasströmungsrichtung auftretende Verlagerung
zu fixieren. Unterdessen müssen das Verbindungselement und das Pufferelement
jeweils eine solche Struktur aufweisen, daß sie die Verlagerung des Wabenheizgeräts
absorbieren können, die in eine Richtung senkrecht zur Gasströmungsrichtung auftritt.
In einigen Fällen hat weder das Verbindungselement, noch das Pufferelement die
Funktion, das Wabenheizgerät gegen seine in Gasströmungsrichtung auftretende
Verlagerung zu fixieren. In solchen Fällen muß die Elektrode die Funktion haben, das
Wabenheizgerät zu fixieren.
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Als Ergebnis kann die wie oben beschaffene Heizeinheit das Wabenheizgerät vor
Brechen und Verformung schützen, wie sie durch Vibrationen und die Ausdehnung und
Kontraktion aufgrund von thermischem Schock unter den harten Fahrbedingungen von
Kraftfahrzeugen verursacht werden können.
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Als nächstes werden die Merkmale der Bestandteile der vorliegenden Erfindung im
Detail beschrieben.
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Die gemäß vorliegender Erfindung verwendete metallische Wabenstruktur weist eine
große Anzahl an Durchgängen parallel zur Richtung des durch sie hindurchströmenden
Gases auf.
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Die Wabenstruktur kann aus jedem Material bestehen, solange es sich um ein Metall
handelt, das fähig ist, Wärme zu erzeugen, wenn es elektrifiziert wird. Die
Wabenstruktur hat vorzugsweise eine Zusammensetzung vom Typ Fe-Cr-Al, weil die
Struktur hohen Temperaturen von Kfz-Abgasen usw. ausgesetzt ist und hitzebeständig
und oxidationsbeständig sein muß.
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Die Zellgestalt der Wabenstruktur unterliegt keiner speziellen Einschränkung, aber ein
Sechseck, ein höheres Vieleck, eine gewellte Gestalt usw. werden gegenüber einem
Viereck und einem Dreieck vorgezogen, weil erstere thermischen Schock besser
aushalten und gegenüber Ausdehnung und Kontraktion flexibler sind. Die Zellenanzahl
der Wabenstruktur unterliegt ebenfalls keiner speziellen Einschränkung, beträgt aber in
Hinblick auf die Wärmeleitfähigkeit der Struktur, die Reinigungseffizienz des
Katalysators usw. vorzugsweise 100 bis 600 Zellen/Inch². Wenn die Zellenanzahl über
600 Zellen/Inch² liegt, kommt es zu Gasdruckabfall.
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Bei der Wabenstruktur kann es sich entweder um einen Folientyp handeln, der durch
Wellen einer gewalzten dünnen Platte (einer Folie) und Wickeln der Folie erhalten
wird, oder um einen Extrusionstyp, der durch Extrudieren und Pulvermetallurgie
erhalten wird. In Hinblick auf die strukturelle Beständigkeit wird der Extrusionstyp
vorgezogen.
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Die Wabenstruktur muß einen regulierten Widerstand aufweisen, damit sie beim
Elektrifizieren die erwünschte Wärme erzeugen kann. Die Wabenstruktur vom
Extrusionstyp weist beispielsweise ein Widerstandseinstellmittel auf, zum Beispiel
Schlitze, wie in der Veröffentlichung Nr. 295184/1991 geoffenbart. In diesem Fall ist
die Wabenstruktur an der Peripherie mit zumindest zwei Elektroden zur Elektrifizierung
versehen, wodurch ein Wabenheizgerät gebildet wird. Wenn dieses Wabenheizgerät als
katalytischer Konverter verwendet wird, ist das Wabenheizgerät im allgemeinen mit
einem Katalysator beschichtet.
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Das wie oben erhaltene Wabenheizgerät wird in einem Gehäuse gehalten. Dabei
müssen folgende Überlegungen angestellt werden.
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Da die metallische Wabenstruktur einen Wärmeausdehnungskoeffizienten in der
Größenordnung von 10-20 x 10&supmin;&sup6;/ºC aufweist, muß die Verlagerung absorbiert wird,
die aufgrund des Unterschieds in der Wärmedehnung zwischen der Wabenstruktur mit
hoher Temperatur und dem Gehäuse mit relativ geringer Temperatur auftritt. Weiters
muß das Wabenheizgerät fest am Gehäuse befestigt sein, um die Bruchfestigkeit und
Isolationsfähigkeit der Wabenstruktur unter starker Vibration bei Verwendung in
Kraftfahrzeugen beizubehalten.
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Daher wird das Wabenheizgerät über zumindest ein metallisches Stützelement im
metallischen Gehäuse gehalten und daran befestigt.
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Die wichtigste Funktion des Stützelements besteht darin, die Verlagerung des
Wabenheizgeräts zu absorbieren, die in eine Richtung senkrecht zur
Gasströmungsrichtung auftritt (diese senkrechte Richtung wird nachstehend als radiale Richtung
bezeichnet), und weiters das Wabenheizgerät gegen seine in Gasströmungsrichtung
auftretende Verlagerung zu fixieren.
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Das Stützelement weist vorzugsweise folgende Konstruktionsmerkmale auf. (Die
spezifische Beschaffenheit des Stützelements wird nachstehend beschrieben.)
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(1) Um die in radialer Richtung auftretende Verlagerung des Wabenheizgeräts zu
absorbieren, weist das Stützelement in radialer Richtung des Wabenheizgeräts eine
flexible Struktur (z. B. eine Federstruktur) auf.
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(2) Um das Wabenheizgerät gegen seine in Gasströmungsrichtung auftretende
Verlagerung zu fixieren, weist das Stützelement eine Struktur auf, durch die das
Wabenheizgerät so fixiert ist, daß es in Gasströmungsrichtung großen Widerstand gegen
Verlagerung bietet und große Festigkeit aufweist.
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Da das Wabenheizgerät und das Gehäuse voneinander isoliert sein müssen, weist der
Verbindungsbereich zwischen dem Wabenheizgerät und jedem Stützelement und/oder
der Verbindungsbereich zwischen jedem Stützelement und dem Gehäuse einen
Isolationsabschnitt aus einem Isolationselement auf. Jeder der beiden
Verbindungsbereiche weist in Hinblick auf den Sicherheitsstandpunkt Isolationseigenschaft auf, aber
im allgemeinen ist es in Hinblick auf die Vereinfachung der Struktur des
Wabenheizgeräts zulässig, daß nur einer der Bereiche Isolationseigenschaft aufweist.
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Die Position des Verbindungsbereichs zwischen dem Wabenheizgerät und jedem
Stützelement unterliegt keiner Einschränkung und kann an der Peripherie des
Wabenheizgeräts, in der Nähe der Peripherie des Heizgeräts, in der Mitte des
Heizgeräts usw. liegen. Die Peripherie des Wabenheizgeräts oder die Nähe der
Peripherie des Wabenheizgeräts ist jedoch in Hinblick auf die Hitzebeständigkeit des
Verbindungsbereichs und die Behinderung der Gasströmung durch die Position des
Verbindungsbereichs vorzuziehen.
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Wenn das Wabenheizgerät unmittelbar unterhalb des Krümmers vorgesehen ist und den
härtesten Bedingungen ausgesetzt ist, handelt es sich bei der in radialer Richtung
auftretenden Verlagerung des Wabenheizgeräts beispielsweise um eine Verlagerung des
Heizgeräts, die aufgrund der Differenz in der Wärmedehnung zwischen dem Heizgerät
mit hoher Temperatur und dem Gehäuse mit relativ niedriger Temperatur während des
Einströmens von Gas mit hoher Temperatur in das Heizgerät auftritt, und die in
Gasströmungsrichtung auftretende Verlagerung des Heizgeräts ist eine aufgrund der
Vibration des Motors auftretende Verlagerung des Heizgeräts.
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Da die Heizeinheit ausreichende Starrheit gegen Vibrationen nicht nur parallel sondern
auch senkrecht zur Gaströmungsrichtung aufweist, wird die Heizeinheit durch
sympathetische Vibrationen nicht zerbrochen. Daher weist die Heizeinheit gemäß
vorliegender Erfindung ausreichende Beständigkeit gegen Vibrationen in jede Richtung
auf, und die Position der Heizeinheit ist nicht auf die Krümmerposition beschränkt,
sondern es ist jede Position im Auspuffrohr, wie eine Position unter dem Boden,
möglich.
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Eine detailliertere Beschreibung erfolgt unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
Zunächst wird der Typ A der Heizeinheit gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden
Erfindung beschrieben.
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Die Fig. 1(A) und 2(B) veranschaulichen ein Wabenheizgerät 12, das erhalten wird,
indem Schlitze 11 als Widerstandseinstellmittel in einer Wabenstruktur 10 mit
sechseckigen Zellen ausgebildet werden.
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An der Peripherie des Wabenheizgeräts 12 ist eine Rille 13 ausgebildet. Die Rille 13
kann durch Rundschleifen einer gesinterten Wabenstruktur 10 ausgebildet werden, aber
wenn die Wabenstruktur 10 durch Extrudieren und Pulvermetallurgie gebildet wird,
kann die Rille 13 gebildet werden, indem Rundschleifen auf eine getrocknete
Wabenstruktur 10 angewandt wird.
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Zwei halbringförmige Stützelemente 16, wie in den Fig. 2(A) und 2(B) gezeigt, werden
als Stützelement verwendet. Jedes Stützelement 16 weist einen Bogenabschnitt 14 und
Schenkelabschnitte 15 auf.
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Der Bogenabschnitt 14 eines jeden Stützelements 16 ist in der Rille 13 des
Wabenheizgeräts 12 in Eingriff, wie in Fig. 3 gezeigt. Die Oberfläche eines jeden
Bogenabschnitts 14 wird im voraus mit einem Isolationsüberzug 17 beschichtet. Der
Isolationsüberzug 17 wird gebildet, indem ein hitzebeständiges anorganisches Material
(z. B. Glas, einschließlich kristallisiertem Glas, Keramik oder Zement) durch ein
Glasemailierverfahren, Flammspritzen, Keramikbeschichtung, Zementbeschichtung oder
dergleichen fest an der Bogenoberfläche haftet.
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Der Isolationsüberzug 17 kann auch auf die Oberfläche der Rille 13 des
Wabenheizgeräts 12 aufgetragen werden (das wird in Fig. 3 nicht gezeigt). Der
Wärmeausdehnungskoeffizient des Isolationsüberzugs 17 stimmt vorzugsweise mit jenem des
Stützelements 16 überein.
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Um das Stützelement 16 und das Wabenheizgerät 12 zu verbinden, wird ein
Zementierungsmaterial 18 verwendet. Beim Zementierungsmaterial 18 kann es sich
üblicherweise um einen hitzebeständigen anorganischen Zement aus Al&sub2;O&sub3;, ZrO&sub2;,
SiO&sub2;-Al&sub2;O&sub3; oder dergleichen handeln. Das Zementierungsmaterial 18 weist
vorzugsweise selbst Isolationseigenschaft auf.
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So wird durch den Isolationsüberzug 17 und das Zementierungsmaterial 18 ein
Isolationsabschnitt gebildet, wodurch das Wabenheizgerät 12 und das Stützelement 16
über den Isolationsabschnitt verbunden sind.
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Wenn das Zementierungsmaterial 18 selbst Isolationseigenschaft aufweist, ist der
Isolationsüberzug 17 nicht notwendigerweise erforderlich. Die Dicke des
Isolationsüberzugs 17 beträgt in Hinblick auf Festigkeit, Isolationseigenschaft und
Thermoschockbeständigkeit vorzugsweise 5 bis 200 um.
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Was die Gestalt des Isolationsabschnitts betrifft, ist die projizierte Länge L des
Isolationsabschnitts in Gasströmungsrichtung vorzugsweise kürzer als die Dicke T des
Wabenheizgeräts in Gasströmungsrichtung.
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Da das Wabenheizgerät 12 einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von üblicherweise
10-20 · 10&supmin;&sup6;/ºC aufweist und der Isolationsabschnitt, beispielsweise das
Zementierungsmaterial 18, einen kleinen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 1-
10 · 10&supmin;&sup6;/ºC aufweist, muß die Differenz im Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen
dem Wabenheizgerät 12 und dem Isolationsabschnitt so gering wie möglich sein. In
diesem Zusammenhang ist L üblicherweise ¹/&sub2; von T oder kleiner. Wenn die Heizeinheit
gemäß vorliegender Erfindung zur Reinigung von Kfz-Abgasen verwendet wird, liegt L
vorzugsweise im Bereich von 0,5 bis 10 mm. Wenn L kleiner als 0,5 mm ist, wird keine
starke Zementierung gegen Vibration gewährleistet. Wenn L größer als 10 mm ist, kann
das Zementierungsmaterial 18 durch die Differenz in der Wärmedehnung zwischen
dem Zementierungsmaterial 18 und der Wabenstruktur 10 brechen.
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Die Tiefe D des Zementierungsabschnitts (dieses D ist beinahe gleich groß wie die Tiefe
der Rille 13) liegt vorzugsweise im Bereich von 2 bis 10 mm, so daß D die
Querschnittsfläche des Abschnitts des Wabenheizgeräts 12, durch die ein Gas
hindurchtreten kann, nicht stark verringert, und D dennoch für ausreichende
Zementierungsfestigkeit sorgen kann.
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Die Dicke t des Zementierungsmaterials 18 ist vorzugsweise 1 mm oder weniger. Wenn
t größer als 1 mm ist, ist die Haftkraft gering, und es kann zum Brechen kommen. Das t
beträgt mehr bevorzugt 0,01 bis 0,5 mm.
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Bei einem weiteren Beispiel für den Isolationsabschnitt kann Hartlöten unter
Verwendung eines Isolationsmaterials und eines Lötmaterials durchgeführt werden.
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Wie oben beschrieben, sind zwei halbringförmige Stützelement 16 mit einem
Wabenheizgerät 12 verbunden, und die beiden Stützelemente 16 sind durch Schweißen
miteinander verbunden, wie in den Fig. 4(A) und 4(B) gezeigt, um ein Wabenheizgerät
12 zu erhalten, an das ein ringförmiges einstückiges Stützelement 16 zementiert ist.
Dieses Wabenheizgerät 12 wird in einem metallischen Gehäuse 19 gehalten, wie in
Fig. 5 gezeigt.
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Das heißt, die Schenkelabschnitte 15 des Stützelements 16 sind durch Schweißen,
Schrauben, Einfügen, Einlegen oder dergleichen am Gehäuse 19 befestigt. Die
Peripherieseite des Wabenheizgeräts 12 ist mit einer Keramikmatte 20 oder dergleichen
gefüllt, um das Hindurchtreten von Gas durch die Peripherieseite zu verhindern. Es ist
erforderlich, daß die Matte 20 hervorragende Isolierung aufweist und über die
Eigenschaften verfügt, daß die Matte 20 nicht zum Pulverisieren und Verstreuen durch
Vibrationen des Wabenheizgeräts 12 neigt. Eine Ablenkung 34 ist vorgesehen, wie in
den Fig. 5 und 6 gezeigt, damit ein Abgas nicht direkt auf die Matte 20 bläst, um
Erosion der Matte 20 durch ein Abgas zu verhindern. Alternativ dazu kann die Gestalt
des Gehäuses 19 und des Stützelements 16 modifiziert sein, wie in den Fig. 8(A) und
8(C) gezeigt, um die Erosion der Matte 20 zu verhindern. Wenn die Isolation der Matte
20 merklich schlechter wird, weil durch ein Abgas mitgeführte Kohlenstoffe an der
Matte 20 haften, ist die Verwendung der Matte 20 nicht notwendig. In diesem Fall ist
jedoch ein Mittel, wie eine Reduktion des Spalts zwischen der Ablenkung 34 und dem
Wabenheizgerät 12 erforderlich, um zu verhindern, daß das Ausmaß des
Gasdurchgangs durch die Peripherieseite zunimmt.
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Das ringförmige einteilige Stützelement 16 weist einen
Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, der vorzugsweise das Ein- bis Zweifache, mehr bevorzugt das 1-1,5-
fache von jenem des Wabenheizgeräts 12 ausmacht. Der lineare Abstand zwischen (1)
dem Verbindungsbereich (der Rille 13) zwischen dem Wabenheizgerät 12 und dem
Stützelement 16 und (2) dem Verbindungsbereich 21 zwischen dem Stützelement 16
und dem Gehäuse 19 beträgt vorzugsweise 20 mm oder weniger. Wenn der Abstand
größer als 20 mm ist, tritt aufgrund der Wärmedehnung des Verbindungsbereichs 21
eine größere Verlagerung auf, und die Belastung am Verbindungsbereich 21 wird
erhöht.
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Die so erhaltene Heizeinheit hat folgende Merkmale.
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Wenn das Wabenheizgerät 12 auf hohe Temperaturen erwärmt und ausgedehnt wird,
wird das ringförmige einteilige Stützelement 16, das an der Peripherie des Heizgeräts 12
vorgesehen ist, ebenfalls ausgedehnt, während es der Wärmedehnung des Heizgeräts 12
folgt; unterdessen sind die Schenkelabschnitte 15 des Stützelements 16 fest am Gehäuse
19 befestigt; als Ergebnis ist das Heizgerät 12 beständig gegen Verlagerung,
beispielsweise gegen Vibration in Gasströmungsrichtung, und weist dadurch hohe
Haltbarkeit auf.
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Die Elektrode 22 zur Elektrifizierung und Erwärmung des Wabenheizgeräts 12 unterliegt
keiner speziellen Einschränkung, ist aber vorzugsweise eine Elektrode, die unter
Verwendung eines Verbindungselements und eines Pufferelements mit dem
Wabenheizgerät verbunden ist, wie später erwähnt, weil eine solche Elektrode die in
radiale Richtung auftretende Verlagerung des Heizgeräts absorbieren kann.
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Ein bevorzugtes Anwendungsbeispiel von Typ A wird in Fig. 7 gezeigt. Das heißt, die
Länge eines jeden Schlitzes 11 ist so reguliert, daß die Position des toten Endes eines
jeden Schlitzes reguliert wird und dadurch die Wärmeleitung vom Wabenheizgerät 12
zum einteiligen Stützelement 16 verbessert wird, wenn das Heizgerät elektrifiziert wird,
wodurch die Wärmedehnung des Stützelements 16 der Wärmedehnung des Heizgeräts
12 folgen kann, wenn das Heizgerät 12 elektrifiziert wird. In Fig. 7 ist Bezugszahl 22
eine Elektrode.
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Ein weiteres bevorzugtes Anwendungsbeispiel von Typ A wird in den Fig. 8(A), 8(8) und
8(C) gezeigt, worin ein Teil des einteiligen Stützelements 16 zur Gaseinlaßseite X des
Heizgeräts 12 ragt, so daß die Temperaturänderung des Stützelements 16 der
Temperaturänderung des Heizgeräts 12 besser folgen kann.
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Als nächstes erfolgt eine Beschreibung der Heizeinheit vom Typ B.
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Wie oben erwähnt, handelt es sich bei der Heizeinheit vom Typ A um eine Heizeinheit,
bei der ein ringförmiges einteiliges Stützelement 16 verwendet wird, das durch
Aneinanderzementieren von zwei halbringförmigen Stützelementen 16 erhalten wird.
Bei der Heizeinheit vom Typ B handelt es sich um eine Heizeinheit, die erhalten wird,
indem eine Vielzahl bogenförmiger Stützelemente 16 [in den Fig. 9(A) und 9(B) gezeigt]
in die Rillen 13 eines Wabenheizgeräts 12 in Eingriff gebracht werden, ohne daß die
Stützelemente 16 aneinanderzementiert werden, wie in den Fig. 10(A) und 10(B)
gezeigt.
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Beim Typ B wird, da anders als bei Typ A kein einteiliges Stützelement 16 verwendet
wird, die Verlagerung des Wabenheizgeräts 12 in radialer Richtung aufgrund der
Wärmedehnung bei hohen Temperaturen durch die Schenkelabschnitte der
Stützelemente 16 absorbiert. Weiters wird der Verlagerung des Heizgeräts 12 in
Gasströmungsrichtung durch den Verbindungsbereich zwischen den Bogenabschnitten
14 der Stützelemente 16 und dem Gehäuse Widerstand geleistet, wodurch das
Heizgerät 12 fixiert wird.
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Ein Anwendungsbeispiel von Typ B wird in den Fig. 11(A) und 11 (B) gezeigt, worin
mehr als zwei Stützelemente 16 (sieben Stützelemente) verwendet werden. Es kann
sein, daß nicht alle Verbindungsbereiche zwischen jedem Stützelement 16 und
Wabenheizgerät 12 in einer Ebene liegen.
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Als nächstes erfolgt eine Beschreibung der Heizeinheit vom Typ C.
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Bei der Heizeinheit vom Typ C handelt es sich um eine Heizeinheit mit
Isolationsabschnitten an den Verbindungsbereichen zwischen jedem Stützelement 16
und Gehäuse 19, wie in den Fig. 12(A) und 12(B) gezeigt.
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Das heißt, eine Vielzahl von Stützelementen 16, die jeweils aus einer geformten
dünnen Platte bestehen, wie in Fig. 13 gezeigt, ist durch Schweißen oder dergleichen
an der Peripherie eines Wabenheizgerät 12 befestigt. (Daher kommunizieren jedes
Stützelement 16 und das Wabenheizgerät 12 miteinander.) Das Ende eines jeden
Stützelements 16, das mit einem Gehäuse 19 zu verbinden ist, wird wie erforderlich mit
einem Isolationsüberzug beschichtet. Das Ende wird weiters mit einem Füllstoff 23 (z. B.
einer Keramikmatte) beschichtet und in eine Rille eingesetzt, die im (aus zwei Teilen
bestehenden) Gehäuse ausgebildet ist. Die Rille wird so verstemmt, daß das Ende eines
jeden Stützelements 16 und der Füllstoff 23 in der Rille festgehalten werden. Dann
werden die beiden Teile des Gehäuses 19 miteinander verbunden. Als Ergebnis sind das
Gehäuse 19 und das Wabenheizgerät 12 voneinander isoliert, und die Stützelemente 16
weisen die gleichen Wirkungen auf wie in den Typen A und B.
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Nun erfolgt eine Beschreibung von Anwendungsbeispielen für die Typen A, B und C.
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Die in den Fig. 14 bis 18 gezeigten Anwendungsbeispiele zeigen die Schnittansichten
verschiedener Stützelemente 16. Jedes Stützelement 16 kann ein ringförmiges
einteiliges Stützelement sein oder aus einer Vielzahl von Teilen bestehen.
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Fig. 14 zeigt ein Stützelement mit einem runden Ende an dem Abschnitt, der mit einem
Wabenheizgerät 12 zu verbinden ist. Aufgrund des runden Endes kann ein
Isolationsüberzug 17 eine höhere Filmformbarkeit aufweisen, und darüber hinaus kann die
Spannungskonzentration an der Kante der Rille 13 des Wabenheizgeräts 12 abgebaut
werden.
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Jede der Fig. 15 bis 18 zeigt ein Gehäuse, worin ein oder mehrere verstärkte(r)
Abschnitt(e) im voraus an der Peripherie oder in Nähe der Peripherie des
Wabenheizgeräts 12 vorgesehen ist/sind und worin das/die Stützelement(e) 16 fest mit dem/den
verstärkten Abschnitt(en) 24 verbunden ist. Der/die verstärkte(n) Abschnitt(e) 24
kann/können, wenn Pulvermetallurgie eingesetzt wird, hergestellt werden, indem an ein
getrocknetes Wabenheizgerät 12 ein getrockneter oder ungetrockneter Körper
zementiert wird, der die gleiche Zusammensetzung wie das Wabenheizgerät 12
aufweist, der so bearbeitet wird, daß er die gewünschte Gestalt aufweist, und das
Wabenheizgerät mit zementiertem Körper dann gebrannt wird. Aufgrund des/der
verstärkten Abschnitts/Abschnitte 24 hat/haben der/die Verbindungsbereich(e) zwischen
dem Wabenheizgerät 12 und dem/den Stützelement(en) 16 eine höhere Festigkeit.
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Im übrigen zeigt Fig. 15 einen Fall, in dem sich der/die Verbindungsbereich(e) zwischen
einem Wabenheizgerät 12 und (einem) Stützelement(en) 16 in der Nähe der Peripherie
des Wabenheizgeräts 12 befindet/befinden.
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Die Fig. 19 und 20 sind Anwendungsbeispiele der Verbindung zwischen dem
Stützelement und Wabenheizgerät, wie in Fig. 3 gezeigt. In diesen Beispielen weist jedes
Stützelement 16 am Verbindungsbereich zwischen dem Wabenheizgerät und dem
Stützelement eine andere Schnittgestalt auf. In Fig. 19 sind die Rille 13 eines
Waben
heizgeräts 12 und der Bogenabschnitt 14 eines Stützelements 16 so ausgebildet, daß sie
eine Verjüngung gegen eine Ebene parallel zur radialen Richtung des Wabenheizgeräts
12 aufweisen. In Fig. 20 sind die Rille 13 eines Wabenheizgeräts 12 und der
Bogenabschnitt eines Stützelements 16 so ausgebildet, daß sie eine Rundung aufweisen.
Aufgrund dieser Strukturen kann jeder Verbindungsbereich zwischen Stützelement 1 6
und Wabenheizgerät 12 einen kleineren Zwischenraum aufweisen, wodurch höhere
Haftstärke erzielt werden kann.
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Fig. 21 zeigt ein Stützelement 16 mit U-förmigem Querschnitt. Diese U-förmige Struktur
fungiert als Feder gegen die Verlagerung eines Wabenheizgeräts 12 in seiner radialen
Richtung.
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Die Fig. 22(A) und 22(B) zeigen einen Fall, in dem plattenartige Stützelemente 16 an
der Peripherie eines Wabenheizgeräts 12 in Wirbelgestalt vorgesehen sind. Diese
Stützelemente 16 fungieren als Feder gegen die Verlagerung des Wabenheizgeräts 12 in
seiner radialen Richtung.
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Die Fig. 23(A) und 23(B) zeigen einen Fall, in dem ein Stützelement 16 mit einem
Wabenheizgerät 12 über die Rille des letzteren verbunden ist, und es, wie in den Fig.
22(A) und 22(B), Federabschnitte in einer Wirbelgestalt an der Peripherie des Heizgeräts
12 aufweist. Da die in den Fig. 22(A) und 22(B) sowie 23(A) und 23(B) gezeigten
Stützelemente 16 an der Peripherie eines jeden Wabenheizgeräts 12 Federabschnitte in
einer Wirbelgestalt aufweisen, kann die Länge des Stützelements in
Gasströmungsrichtung gegenüber jener von Stützelementen eines anderen Typs verkürzt werden.
Wenn das Stützelement 16 mit einer Elektrode verbunden ist, wie in Fig. 29 gezeigt,
fallen die Wirbelrichtung des Stützelements 16 und jene des Verbindungselements 25
vorzugsweise zusammen, weil dann die Richtung der thermischen Dehnung und
Schrumpfung des Stützelements 16 mit jener des Verbindungselements 25
zusammenfällt und dadurch keine Störung verursacht wird.
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Die Fig. 24 bis 27 zeigen Fälle, in denen ein Stützelement 16 im Bereich der
Verbindung mit einem Wabenheizgerät 12 leichter gemacht ist, wobei die Festigkeit in
diesem Bereich beibehalten wird, um der Temperaturänderung des Wabenheizgeräts 12
rasch folgen zu können. Das heißt, Fig. 24 ist ein Fall, in dem der Bogenabschnitt 14
eines Stützelements 16 aus einem hohlen Ring besteht; bei den Fig. 25 und 26 handelt
es sich jeweils um einen Fall, in dem der Bogenabschnitt 14 eines Stützelements 16 aus
einem Ring mit U-förmigem Querschnitt besteht; und Fig. 27 zeigt einen Fall, in dem
der Bogenabschnitt eines Stützelements 16 in einer Wellengestalt ausgebildet ist, so daß
der Verbindungsbereich zwischen Wabenheizgerät 12 und Stützelement 16 größere
Festigkeit aufweisen kann.
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Fig. 28 zeigt einen Fall, in dem ein Stützelement 16 am vorderen Ende polygonale
Querschnittsgestalt aufweist. Ein Isolationsüberzug 17 wird auf das vordere Ende
aufgetragen; und das beschichtete vordere Ende wird in die Rille eines Wabenheizgeräts
12 eingesetzt (es wird kein Zementierungsmaterial verwendet); und die Mündung der
Rille wird verstemmt.
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Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung weist jedes aus dem Wabenheizgerät und
dem/den Stützelement(en) zum Halten des Heizgeräts bei der Vibration in
Gasströmungsrichtung oder radialer Richtung des Wabenheizgeräts wünschenswert eine
Eigenfrequenz von 1.000 Hz oder mehr, bevorzugt 2.000 Hz oder mehr auf, so daß das
Wabenheizgerät und das/die Stützelement(e) nicht synchron mit dem Kfz-Auspuff
vibrieren und nicht bricht/brechen.
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Ein wirksames Mittel zum Erhöhen der Eigenfrequenz des Wabenheizgeräts in
Gasströmungsrichtung besteht beispielsweise darin, die Schrittlänge eines jeden
Schlitzes klein zu halten oder die Dicke des Heizgeräts in Gasströmungsrichtung zu
erhöhen. Ein wirksames Mittel zum Erhöhen der Eigenfrequenz des Wabenheizgeräts in
radialer Richtung besteht darin, die Schnittlänge eines jeden Schlitzes klein zu halten
oder die Anzahl an Zellen zwischen zwei benachbarten Schlitzen zu erhöhen. Diese
Mittel führen jedoch zu einer Verringerung des Widerstands des Wabenheizgeräts.
Daher ist es, um eine Heizeinheit mit gewünschtem Widerstand zu erhalten,
notwendig, ein Wabenheizgerät so zu konstruieren, daß es einen angemessenen
Durchmesser, eine angemessene Dicke in Gasströmungsrichtung, eine angemessene
Anzahl an Schlitzen usw. sowie eine Eigenfrequenz aufweist, die den obigen
Anforderungen entspricht.
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Ein wirksames Mittel zum Erhöhen der Eigenfrequenz des/der Stützelements/elemente
besteht beispielsweise darin, die Länge eines jeden Schenkels kurz zu halten, die Breite
eines jeden Schenkels groß zu machen oder die Anzahl an Schenkeln zu erhöhen.
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Wenn die Länge eines jeden Schenkels zu gering ist, wird durch die Differenz in der
Wärmedehnung zwischen Bogenabschnitt(en) des/der Stützelements/elemente und des
Gehäuses große Spannung in den Schenkelabschnitten verursacht, was zu
Ermüdungsbruch führt. Es ist daher notwendig, (ein) Stützelement(e) so zu konstruieren, daß es/sie
eine Spannung von 30 kg/mm² oder weniger, vorzugsweise 15 kg/mm² oder weniger,
sowie eine Eigenfrequenz aufweist/aufweisen, die der obigen Anforderung entspricht.
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Als nächstes erfolgt eine Beschreibung der Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung.
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Gemäß vorliegender Erfindung muß die Heizeinheit zumindest eine Elektrode zur
Elektrifizierung des Wabenheizgeräts aufweisen. Üblicherweise werden Elektroden
durch Schweißen oder dergleichen direkt mit einer Wabenstruktur verbunden, um ein
Wabenheizgerät zu bilden; dann werden die Elektroden über einen Isolator oder
dergleichen an einem Gehäuse befestigt, um eine Heizeinheit zu bilden; bei dieser
Heizeinheit können die Elektroden das Wabenheizgerät aufgrund der relativen
Verlagerung zwischen Gehäuse und Wabenheizgerät aufgrund ihrer unterschiedlichen
Wärmedehnung verformen. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit, die Verbindung
zwischen Elektroden und Wabenheizgerät zu verbessern. Ein solches Beispiel für eine
verbesserte Verbindung zwischen Elektroden und Wabenheizgerät wird nachstehend im
Detail als Heizeinheit vom Typ D beschreiben.
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Ein typisches Beispiel für die Heizeinheit vom Typ D wird in Fig. 29 gezeigt. Wie in Fig.
29 gezeigt, ist ein Wabenheizgerät 12 über ein metallisches Verbindungselement 25 mit
einer Elektrode 22 verbunden. Das Verbindungselement 25 muß die Funktionen haben,
(1) die in radialer Richtung auftretende Verlagerung des Wabenheizgeräts 12 zu
absorbieren und (2) das Wabenheizgerät 12 in Gasströmungsrichtung zu fixieren. Daher
kann das Verbindungselement 25 aus dem gleichen Material bestehen und die gleiche
Gestalt haben wie das obengenannte Stützelement. Es versteht sich von selbst, daß das
Verbindungselement 25 einen sehr geringen elektrischen Widerstand aufweisen muß,
um die gewünschte Wärmeerzeugung durch das Wabenheizgerät zu gewährleisten.
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Das Verbinden zwischen Verbindungselement 25 und Wabenheizgerät 12 sowie
zwischen Verbindungselement 25 und Elektrode 22 kann durch entsprechende Mittel,
wie Schweißen oder dergleichen, erfolgen.
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Die Elektrode 22 ist durch eine Unterlegscheibe und eine Mutter 29 über
Isolationselemente 26 fix am Gehäuse 19 befestigt, wobei die Isolationselemente aus
einem Isolationsmaterial (z. B. Isolator) und einer Festspannvorrichtung 30 zum Fixieren
des Isolationselements 26 bestehen.
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Bei der Heizeinheit vom Typ D ist, da die Elektrode über das Verbindungselement 25
am Wabenheizgerät 12 befestigt ist, das Risiko des Brechens des Wabenheizgeräts 1 2
gering, auch wenn von außen ein Stoß auf die Elektrode 22 ausgeübt wird.
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Die Heizeinheit von Fig. 30 ist ein Beispiel für Typ D, worin ein Wabenheizgerät 12
nach dem gleichen Halteverfahren wie bei Typ A durch ein Stützelement 16 in einem
Gehäuse 19 gehalten wird. Typ D kann wirksam auf verschiedene andere Beispiele als
das Beispiel von Fig. 30 angewandt werden.
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Ein weiteres bevorzugtes Beispiel für die Heizeinheit vom Typ D wird in den Fig. 31 (A)
und 31 (B) gezeigt, worin ein durch Falten einer Metallplatte erhaltenes
Verbindungselement 25 mit einem beinahe U-förmigen Querschnitt zwischen einer Elektrode 22
und einem Wabenheizgerät 12 vorgesehen ist.
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Gemäß diesem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist das Verbindungselement, das
zwischen Elektrode und Wabenheizgerät vorgesehen ist, Federfunktion auf, so daß es
die Verlagerung absorbieren kann, die durch die Differenz in der Wärmedehnung
zwischen Wabenstruktur und Gehäuse verursacht wird. Die Federkraft des
Verbindungselements ist, als Elastizitätsmodul ausgedrückt, vorzugsweise 4 kp/mm oder
weniger, vorzugsweise 1 kp/mm oder weniger pro Einheitslänge der Wabe in
Gasströmungsrichtung. Wenn der Elastizitätsmodul größer als 4 kp/mm ist, ist die
Federkraft des Verbindungselements zu groß, und als Ergebnis kann das
Verbindungselement den Wabenabschnitt des Wabenheizgeräts nahe dem Verbindungselement
zerdrücken. Weiters hat das Verbindungselement vorzugsweise eine Querschnittsfläche
von 10 mm² oder mehr, vorzugsweise 15 mm² oder mehr, und eine Länge von 50 mm
oder weniger, vorzugsweise 20 mm oder weniger, um den Temperaturanstieg und die
daraus folgende Ausdehnung des Verbindungselements beim Elektrifizieren zu
minimieren. Wenn die Querschnittsfläche und die Länge von den obigen Bereichen
abweichen, kann das Verbindungselement durch anormalen Temperaturanstieg
schmelzen, oder das Verbindungselement kann sich zu stark ausdehnen, und es kann
große Spannung im Verbindungselement, der Elektrode und dem Wabenheizgerät
auftreten (die Elektrode und das Wabenheizgerät berühren das Verbindungselement); als
Folge kann es zum Bruch kommen. Da die Verringerung des Elastizitätsmoduls des
Verbindungselements zur Zunahme der Querschnittsfläche und der Verringerung der
Länge des Verbindungselements entgegengesetzt ist, muß das Verbindungselement so
konstruiert sein, daß ein gutes Gleichgewicht zwischen diesen Eigenschaften besteht.
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Als nächstes wird als Typ E eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
beschrieben, und ihre Elektrodenstruktur wird in Fig. 32 gezeigt.
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Wie in Fig. 32 gezeigt, ist eine Elektrode 22 durch Schweißen oder dergleichen direkt
mit einem Wabenheizgerät 12 verbunden und ist weiters durch Muttern 29 mit
Isolationselementen 26 verbunden, die aus einem Isolationsmaterial (z. B. Isolator)
bestehen; und die Isolationselemente 26 sind über ein Pufferelement 27 an einem
Gehäuse 19 befestigt. Das Pufferelement 27 absorbiert ähnlich dem obengenannten
Stützelement und Verbindungselement die Verlagerung des Wabenheizgeräts 12 in
seiner radialen Richtung und kann das Wabenheizgerät 12 gegen seine Verlagerung in
Gasströmungsrichtung fixieren.
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Bei dieser Konstruktion weist das Pufferelement ähnlich dem oben beschriebenen
Verbindungselement wünschenswert einen Elastizitätsmodul von 4 kp/mm oder
weniger, vorzugsweise 1 kp/mm oder weniger pro Einheitslänge der Wabenstruktur in
Gasströmungsrichtung auf. Wenn der Elastizitätsmodul größer als 4 kp/mm ist, ist die
Federkraft des Pufferelements zu groß, und als Ergebnis kann das Pufferelement den
Wabenabschnitt des Wabenheizgeräts nahe dem Pufferelement zerdrücken.
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Wenn bei der Heizeinheit vom Typ D und der Heizeinheit: vom Typ E gemäß
vorliegender Erfindung das/die in Typ A, B, C oder dergleichen verwendete(n)
Stützelement(e) eingesetzt wird/werden, kommt es bei solchen Heizeinheiten im
wesentlichen weder zu Verformung noch Brechen des Wabenheizgeräts, und sie sind in
hohem Maße zu bevorzugen.
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Die vorliegende Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf Beispiele
detaillierter beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese Beispiele
beschränkt.
(1) Herstellung von Wabenheizgeräten
Herstellung von Wabenstrukturen
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Ein Fe-Pulver, eine Cr-Al-Pulver (Al: 30 Gew.-%), ein Fe-Al-Pulver (Al: 50 Gew.-%), ein
Fe-B-Pulver (B: 20 Gew.-%) und ein Y&sub2;O&sub3;-Pulver, alle mit einem durchschnittlichen
Teilchendurchmesser von 44 um oder weniger, wurden so gemischt, daß eine
Zusammensetzung Fe-12Cr-10Al-0,05B-0,5Y&sub2;O&sub3; entstand. Dem Gemisch wurden pro
100 g Gemisch 4 g Methylzellulose als organisches Bindemittel und 1 g Ölsäure als
Oxidationshemmer zugegeben, und sie wurden gemischt, um einen leicht formbaren
Körper zu erhalten. Der Körper wurde extrudiert, was als Extrudat einen säulenförmigen
Wabenkörper mit einem Durchmesser von 113 mm und einer Dicke von 30 mm ergab.
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Der säulenförmige Wabenkörper wurde in Luft bei 90ºC 16 h lang getrocknet und dann
in einer Wasserstoffatmosphäre bei 1.325ºC 2 h lang gesintert, was eine Wabenstruktur
mit 93 mm Außendurchmesser und 25 mm Dicke ergab, die sechseckige Zellen jeweils
mit einer Rippendicke von 0,1 mm bei einer Zelldichte von 450 Zellen/Inch² ergab.
Dann wurde an der Peripherie der Wabenstruktur durch Rundschleifen eine Rille 13 mit
3,5 mm Breite und 4 mm Tiefe gebildet. Weiters wurden in der Wabenstruktur durch
Schleifen unter Verwendung einer Diamantsäge Schlitze 11 in eine Richtung parallel
zur axialen Richtung der Durchgänge (Zellen) ausgebildet, so daß Anzahl der Zellen
zwischen zwei benachbarten Schlitze acht betrug. Die resultierende Wabenstruktur
wurde in Luft bei 1.150ºC 30 min lang wärmebehandelt, wodurch eine Wabenstruktur
10 erhalten wurde, wie in den Fig. 1(A) und 1(B) gezeigt.
Katalysatorbeladung
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Ein γ-Al&sub2;O&sub3;-Pulver und eine CeO&sub2;-Pulver wurden getrennt so hergestellt, daß ihr
Gewichtsverhältnis 70 : 30 betrug. Jedes Pulver wurde mit Wasser und einer geringen
Menge Salpetersäure gemischt, und jedes Gemisch wurde mit einem Naßverfahren
pulverisiert, wodurch zwei Aufschlämmungen erhalten wurden. Die zuvor hergestellte
Wabenstruktur 10 wurde in jede der Aufschlämmungen getaucht, um eine
Überzugsschicht zu bilden. Die Überzugsschicht wurde getrocknet und dann bei 500ºC
gebrannt, um eine γ-Al&sub2;O&sub3;- und CeO&sub2;-Schicht zu bilden. Die resultierende
Wabenstruktur wurde in eine wäßrige Lösung getaucht, die Chlorplatinsäure und
Rhodiumnitrat enthielt, um sie mit Pt und Rh in einem Molverhältnis von 5 : 1 in einer
Gesamtmenge von 40 g/ft³ zu beladen.
Befestigung der Elektroden
(Typ D)
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Wie in Fig. 30 gezeigt, wurde ein Ende einer elektrisch leitenden Platte
(Verbindungselement) 25 aus SUS 409L mit einer Dicke von 1,5 mm, einer Breite von 15 mm und
eine Länge von 45 mm, das in einem Radius von 50 mm in Längsrichtung gebogen
wurde, an eine Schraubenelektrode 22 aus SUS 409L mit einem Außendurchmesser von
10 mm, einer Gewindesteigung von 1,25 und einer Länge von 30 mm geschweißt. Das
andere Ende der elektrisch leitenden Platte 25 wurde an die Wabenstruktur 10
geschweißt.
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Wie in Fig. 30 gezeigt, wurde das Befestigen der Elektrode 22 an einem Gehäuse 19
durchgeführt, indem ein Teil der Elektrode 22 durch ein im Gehäuse 19 gebildetes Loch
28 mit 14 mm Durchmesser hinausgeschoben wurde, wobei an der Peripherie des
Lochs innerhalb und außerhalb des Gehäuses 19 Isolatoren 26 aus Al&sub2;O&sub3; (jeweils mit
einem Innendurchmesser von 11 mm, einem Außendurchmesser von 20 mm und einer
Dicke von 4 mm) vorgesehen waren und die Elektrode 22 dann unter Verwendung einer
Mutter 29 am Gehäuse 19 befestigt wurde.
(Typ E)
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Eine Schraube (Elektrode) 22 aus SUS 409L mir einem Außendurchmesser von 10 mm,
einer Gewindesteigung von 1,25 mm und einer Länge von 40 mm wurde an die
Wabenstruktur 10 geschweißt. Getrennt davon wurde ein (in Fig. 32 gezeigtes) rundes
Pufferelement 27 aus SUS310S mit einer Dicke von 0,8 mm und einem
Außendurchmesser von 50 mm hergestellt, das konzentrische Wellen aufwies und in
seiner Mitte ein Loch mit 14 mm Durchmesser hatte.
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Wie in Fig. 32 gezeigt, wurde die Befestigung der Elektrode 22 am Gehäuse 19 durch
Anziehen der Elektrode 22 und des Pufferelements 27 mit Muttern 29 über die gleichen
Isolatoren 26, wie sie in Typ D verwendet wurden, und anschließendes Festschweißen
der Peripherie des Pufferelements 27 am Gehäuse 19 durchgeführt.
(TYP F)
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Eine Elektrode 22 wurde auf die gleiche Weise wie bei Typ E an die Wabenstruktur 10
geschweißt. Getrennt davon wurde eine Festspannvorrichtung 30 zur Isolator-
Befestigung (wie in Fig. 33) gezeigt) aus SUS310S mit einem Außendurchmesser von 23
mm und einer Höhe von 10 mm hergestellt, die an jeder Seite eine Ausbeulung mit
20,5 mm Innendurchmesser und in der Mitte ein Loch mit 14 mm Durchmesser
aufwies. Es wurden auch zwei Isolatoren 26 aus Al&sub2;O&sub3; mit einem Innendurchmesser
von 11 mm, einem Außendurchmesser von 20 mm und einer Höhe von 4 mm oder 8
mm hergestellt.
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Wie in Fig. 33 gezeigt, erfolgte die Befestigung der Elektroden 22 an einem Gehäuse 19
durch Befestigen der Isolatoren 26 und der Festspannvorrichtung 30 zur
Isolatorbefestigung an der Elektrode 22 mit einer Unterlegscheibe und einer Mutter 29 und
anschließendes Einfügen der Elektrode 22 usw. in ein im Gehäuse 19 vorgesehenes
Loch mit 23,5 mm Durchmesser, gefolgt von Schweißen.
(2) Herstellung von Heizeinheiten
(Beispiel 1)
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Nachdem die Wabenstruktur 10 mit einem Katalysator beladen worden war, wurde eine
elektrisch leitende Platte 25, die an einer Elektrode vom Typ D befestigt war, an der
Wabenstruktur 10 angebracht. Getrennt davon wurden zwei Stützelemente 16 aus
SUS310S hergestellt, wie in Fig. 2 gezeigt, die jeweils (1) einen halbringförmigen
Bogenabschnitt 14 mit einer Dicke von 3 mm, einem Außenumfang von R = 44 mm
und einem Innenumfang von R = 35,5 mm, sowie (2) vier Schenkel 14 jeweils mit
einer Dicke von 1,5 mm, einer Breite von 8 mm und einer Länge von 20 mm
aufwiesen. Jeder Bogenabschnitt 14 der Stützelemente 16 wurde durch Flammspritzen
mit Aluminiumoxid in einer Dicke von 20 bis 25 um beschichtet, um einen
Isolationsüberzug 17 zu bilden.
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Dann wurde in den Abschnitt eines jeden in der Wabenstruktur 10 ausgebildeten
Schlitzes 11 mit Ausnahme des Rillenabschnitts 13 ein Abstandshalter mit einer Dicke
von 0,8 mm eingefügt, um den Schlitz vorübergehend zu verstopfen. Daraufhin wurde
ein anorganischer Zement in den Rillenabschnitt 13 gefüllt, woraufhin die beiden
Stützelemente 16 in die Rille 13 eingesetzt wurden. Das resultierende Material wurde in
Luft bei 100ºC 1 h lang und danach bei 300ºC 1 h lang getrocknet, wodurch die
Stützelemente 16 an der Wabenstruktur 10 befestigt wurden. Im übrigen war der
anorganische Zement Bond X # 64 (bestehend hauptsächlich aus Al&sub2;O&sub3;), hergestellt von
Nihon Kagaku-Kogyo. Nach dem Trocknen wurde der Abstandshalter entfernt, und die
beiden Stützelemente 16 wurden zur Ringbildung, wie in Fig. 4 gezeigt, an ihren Enden
durch Schweißen verbunden. Dann wurden die Schenkel 15 des am Wabenheizgerät
12 befestigten Stützelements 16 durch Schweißen an einem Gehäuse 19 aus SUS310S
mit 1,5 mm Dicke befestigt, wie in Fig. 5 gezeigt. Am äußeren Umfang des
Wabenheizgeräts 12 wurde eine Keramikmatte 20 [Interam (Markenname), hergestellt
von Sumitomo 3M] vorgesehen, um das Austreten von Gas zu vermeiden. Eine
Ablenkung mit einem Innendurchmesser von 93 mm wurde an das Gehäuse 19
geschweißt und befestigt, um die Erosion der Matte 20 zu verhindern. Elektroden
wurden nach dem Verfahren von Typ D befestigt. So wurde eine Wabenheizeinheit A,
wie in Fig. 5 gezeigt, erhalten, bei der sich die Schenkel 15 des Stützelements 16 an der
Gaseinlaßseite befanden und die eine Gesamtlänge von 100 mm und einen Widerstand
von 30 mΩ aufwies.
(Beispiel 2)
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Es wurden Stützelemente 16 wie in Fig. 9 gezeigt hergestellt, die die gleichen wie jene
von Beispiel 1 waren, mit der Ausnahme, daß sie einen vertikalen Winkel von 85º
aufwiesen. Unter Verwendung dieser Stützelemente 16 wurde ein Wabenheizgerät 12,
wie in Fig. 10 gezeigt, auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 erhalten.
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Elektroden vom Typ E wurden am Wabenheizgerät 12 angebracht, und die übrige
Vorgangswiese war die gleiche wie in Beispiel 1, wodurch eine Wabenheizeinheit B
erhalten wurde.
(Beispiel 3)
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Es wurde ein Wabenformkörper mit der gleichen Gestalt wie in Beispiel 1 auf die
gleiche Weise wie in Beispiel 1 erhalten. Getrennt davon wurden 6 Formblöcke aus
dem gleichen Material wie jenem des Wabenformkörpers und den Abmessungen 1,5
mm (Dicke) · 10 mm · 10 mm hergestellt.
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Die Formblöcke wurde an der Peripherie des Wabenformkörpers unter Verwendung
einer Paste angebracht, die durch Mischen des gleichen Materials, wie für den
Wabenformkörper verwendet, mit einer kleinen Menge Wasser hergestellt wurde. Dann
wurden Brennen, Schlitzbildung und Beladen mit Katalysator auf die gleiche Weise wie
in Beispiel 1 durchgeführt, um eine Wabenstruktur herzustellen, wie in Fig. 12 gezeigt.
Es wurden, wie in Fig. 13 gezeigt, Stützelemente 16 aus SUS409L hergestellt, die
jeweils eine Breite von 8 mm, eine Länge von 24 mm und eine Dicke von 1??,5 mm
aufwiesen. Ein Ende eines jeden Stützelements 16 wurde an den Blockabschnitt der
Wabenstruktur 10 geschweißt. Dann wurde das andere Ende eines jeden Stützelements
1 mit einer gewirkten Fasermatte 23 [Nextel (Markenname), hergestellt von Sumitomo
3M] aus einer kontinuierlichen Aluminiumoxid-Siliziumoxid-Faser bedeckt und in die in
einem Gehäuse 19 ausgebildete Rille eingesetzt, woraufhin die Mündung der Rille zur
Befestigung verstemmt wurde. Elektroden vom Typ E wurden auf die gleiche Weise
angebracht wie in Beispiel 2, und eine Matte zur Verhinderung des Austretens von Gas
sowie eine Ablenkung wurden auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 vorgesehen. So
wurde eine Wabenheizeinheit C mit einer Struktur wie in Fig. 12 erhalten.
(Beispiel 4)
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Eine Wabenheizeinheit D wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 erhalten, mit
der Ausnahme, daß Elektroden nach dem Verfahren vom Typ F angebracht wurden.
(Beispiel 5)
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Eine Wabenheizeinheit E wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 2 erhalten, mit
der Ausnahme, daß Elektroden nach dem Verfahren vom Typ F angebracht wurden.
(Vergleichsbeispiel 1)
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Ein Wabenheizgerät 12', das Schlitze aufwies und mit einem Katalysator beladen war,
aber keine Rille aufwies, wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 1 erhalten. In das
offene Ende eines jeden Wabenheizgerät-Schlitzes an der Peripherie des
Wabenheizgeräts wurde ein Abstandshalter aus ZrO&sub2; mit einer Dicke von 0,8 mm, einer Breite von
15 mm und einer Höhe von 4 mm eingesetzt, und der Abstandshalter wurde mit dem
gleichen anorganischen Zement an das Wabenheizgerät zementiert, wie in Beispiel 1
verwendet. Zur Befestigung wurde Trocknen in Luft bei 100ºC 1 h lang durchgeführt.
Das Wabenheizgerät 12' wurde in einem Stützelement 16' aus SUS310S mit 1 mm
Dicke und 37 mm Breite angeordnet, das Elektrodenlöcher aufwies. Zwischen dem
Wabenheizgerät 12' und dem Stützelement 16' wurde eine anorganische
Zementschicht 31 und Isolatoren 26 mit 2 mm Dicke angeordnet, wie in Fig. 34 gezeigt.
Trocknen wurde in Luft bei 100ºC 6 h und danach bei 300ºC 3 h lang durchgeführt,
um ein an einem Stützelement befestigtes Wabenheizgerät 12' zu erhalten, wie in Fig.
34 gezeigt.
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Eine Matte 32 [Interam (Markenname), hergestellt von Sumitomo 3M] mit einer Dicke
von 3,4 mm wurde um die Peripherie des Wabenheizgeräts 12' gewickelt. Das
resultierende Wabenheizgerät wurde in einem Gehäuse 19 mit 1,5 mm Dicke in Eingriff
gebracht, das einen ausgebeulten Abschnitt mit 37,5 mm Breite aufwies. Elektroden
vom Typ F wurden auf die gleiche Weise wie in Beispiel 4 angebracht. So wurde ein
Wabenheizgerät F mit der gleichen Gestalt wie in Beispiel 1 erhalten.
(Vergleichsbeispiel 2)
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Eine Wabenstruktur mit eingefügtem Abstandshalter wurde auf die gleiche Weise wie in
Vergleichsbeispiel 1 hergestellt. Die gleiche Aluminiumoxid-Siliziumoxid-Fasermatte 33
(Dicke = 3 mm und Breite = 30 mm), wie in Beispiel 3 verwendet, wurde um den
Peripherieabschnitt der Wabenstruktur mit Ausnahme der Elektrodenabschnitte
gewickelt. Die resultierende Wabenstruktur wurde in einem Gehäuse 19 in Eingriff
gebracht, das einen ausgebeulten Abschnitt mit 31 mm Breite aufwies und dem in
Vergleichsbeispiel 1 verwendeten Gehäuse ähnlich war. Elektroden wurden auf die
gleiche Weise wie in Vergleichsbeispiel 1 angebracht. So wurde eine Wabenheizeinheit
G erhalten.
(3) Brennerhaltbarkeitstest unter Vibration
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Die in den Beispielen 1 bis 5 und Vergleichsbeispielen 1 und 2 erhaltenen
Heizeinheiten wurden durch einen Brennerhaltbarkeitstest unter Vibration auf ihre
Haltbarkeit untersucht, wobei es sich um einen Haltbarkeitstest handelte, bei dem ein
tatsächliches Auto simuliert wurde. Das heißt, es wurde ein Abgas von einem
Propanbrenner verwendet (Luftaufnahmemenge = 1 m³/min und Propan = 20 Nl/min);
und ein Zyklus, der aus (a) Temperaturanstieg des Heizgeräts von 200ºC auf 950ºC in 5
min und (b) Temperatursenkung von 950ºC auf 200ºC in 5 min bestand, wurde 200-
mal wiederholt. Während dieser Zeit wurde unter Verwendung eines Vibrators eine
Vibration von 28 G und 200 Hz in Gasströmungsrichtung ausgeübt. Die Ergebnisse
werden in Tabelle 1 gezeigt.
Tabelle 1
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Wie aus Tabelle 1 hervorgeht, weist die Heizeinheit mit dem Haltemodus und der
Elektrodenstruktur gemäß vorliegender Erfindung ausreichende strukturelle
Beständigkeit gegenüber starkem Hitzeschock und Vibration auf, die im Auspuff von
Kraftfahrzeugen auftreten.
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Wie oben beschrieben, kann durch die vorliegende Erfindung eine Heizeinheit
bereitgestellt werden, die weder zum Brechen des Wabenheizgeräts noch zum
Abschälen führt, wenn sie harten Fahrbedingungen von Kraftfahrzeugen usw. unterliegt
und Vibration und der durch thermischen Schock verursachten Ausdehnung und
Kontraktion ausgesetzt ist.