DE69732319T2

DE69732319T2 - Elektrodenstruktur für hochtemperaturgeheizten Körper

Info

Publication number: DE69732319T2
Application number: DE69732319T
Authority: DE
Inventors: Kazuhiro Toyota-shi SAKURAI; Hiroshi Kumagaya-shi Hosokawa
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1996-05-14
Filing date: 1997-05-13
Publication date: 2005-12-22
Anticipated expiration: 2017-05-14
Also published as: JP3702531B2; EP0808077A2; US6060699A; DE69732319D1; EP0808077B1; JPH09303137A; EP0808077A3

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Bereich der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich auf eine Elektrode zum Verbinden eines elektrischen Drahtes mit einem erhitzen Körper, der auf eine hohe Temperatur erhitzt wird. Insbesondere bezieht sich diese Erfindung auf einen Elektrodenaufbau einer Katalysatorvorrichtung der elektrisch beheizten Bauart.
2. Beschreibung der Standes der Technik
Eine Katalysatorvorrichtung der elektrisch beheizten Bauart, welche durch Elektrizität erhitzt wird, um einen Katalysator nach dem Start aus einem kalten Zustand schnell zu aktivieren, ist beispielsweise in der japanischen ungeprüften Patentveröffentlichung (Kokai) Nr. 6-108831 offenbart. Gemäß der Vorrichtung ist ein Ende eines massiven Schraubbolzens mit einem Katalysator verbunden, während sich das andere Ende zur Außenseite eines Abgasrohrs erstreckt und mit einem externen Draht verbunden ist. Im Allgemeinen wird in den meisten Fällen ein Kupferkabel (Kupferdraht) als externer elektrischer Draht verwendet.
Weil jedoch die Verbindung zwischen dem Schraubbolzen und dem externen elektrischen Draht in der Umgebung des Katalysators angeordnet ist, ist es wahrscheinlich, dass die Verbindung über den Schraubbolzen durch den Katalysator erhitzt wird und eine hohe Temperatur erreicht, oder die Verbindung auf der Seite des Schraubbolzens sich wahrscheinlich einer Hochtemperaturoxidation unterzieht und somit den Weg für ein Leitungsversagen ebnet. Des Weiteren erreicht auch der externe elektrische Draht eine hohe Temperatur, sodass Probleme, wie beispielsweise die Materialveränderung des elektrischen Drahtes selbst oder eine Verschlechterung eines Abdeckmaterials auftritt.
Diese Probleme können gelöst werden, indem prinzipiell die Länge der herausführenden Elektrode verlängert wird, sodass die Verbindung weg vom Katalysator gebracht wird. Aber entsprechend dieser Anordnung wird der Widerstandswert der herausführenden Elektrode selbst so groß, dass der Katalysator selbst nicht ausreichend erhitzt werden kann oder das Gewicht der herausführenden Elektrode groß wird. Zusätzlich ist es wahrscheinlich, dass sich solch eine große herausführende Elektrode leicht auf andere Komponenten und deren Montagefähigkeit störend auswirkt.
Dokument EP 0 669 453 A1 offenbart einen elektrisch erhitzten katalytischen Umwandler mit einem Substrat für einen Katalysator, einer stangenartigen Metallelektrode, die mit dem Substrat verbunden ist, und einem Gehäuse, welches dieses aufnimmt. Das Dokument offenbart Möglichkeiten zum Verringern der Temperatur der Elektrode am Abschnitt, der mit einem elektrischen Versorgungskabel verbunden ist. Diese Aufgabe wird durch Verwenden einer Elektrode umgesetzt, in dem eine Elektrode, die als hohles Rohr ausgebildet ist, verwendet wird, da die Wärmemenge der hohlen Rohrelektrode verglichen mit einer massiven Metallstangenelektrode sehr klein ist. Eine andere Möglichkeit zum Verringern der Temperatur der Elektrode ist es, die Elektrode am Eindringabschnitt, wo die Elektrode ins Gehäuse eindringt, zu beabstanden, indem ein Flansch auf einer Außenfläche der Elektrode ausgebildet wird und der Flansch durch die Hitzeisolationselemente gehalten wird.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine Absenkung der Temperatur an der Verbindung zwischen der herausführenden Elektrode einer Katalysatorvorrichtung der elektrisch erhitzten Bauart mit einem einfachen Aufbau und ohne Erhöhen des Widerstandswerts zu verwirklichen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Aufbau einer Elektrode bereitgestellt, um einen externen elektrischen Draht mit einem erhitzten Körper zu verbinden, der auf eine hohe Temperatur erhitzt wird, dabei hat er eine hochtemperaturseitige Elektrode, die aus einem Leiter hergestellt ist und mit dem erhitzten Körper verbunden ist; und eine niedertemperaturseitige Elektrode, die an einem Endabschnitt mit der hochtemperaturseitigen Elektrode verbunden ist und am anderen Endabschnitt mit dem externen elektrischen Draht verbunden ist; wobei die niedertemperaturseitig Elektrode hergestellt wird, indem ein mittig angeordneter Leiter mit einem Abdeckmaterial über einem Isolator abgedeckt wird und der Leiter der niedertemperaturseitigen Elektrode aus einem Material hergestellt wird, ist das einen niedrigeren Leitungswiderstand hat als der des Leiters der hochtemperaturseitigen Elektrode.
Die vorliegende Erfindung kann vollständiger aus der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele zusammen mit den beigefügten Zeichnungen verstanden werden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Schnittdarstellung eines Katalysators der elektrisch erhitzten Bauart, der mit einer Elektrode gemäß der vorliegenden Erfindung ausgestattet ist;
2 ist eine Ausschnittsvergrößerung aus 1; und
3 ist eine Darstellung zur Erklärung, die zum Erklären eines Teils des Produktionsprozesses der erfindungsgemäßen Elektrode hilfreich ist.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
1 ist eine Schnittdarstellung einer Katalysatorvorrichtung die in einem Mittelteil eines Abgasrohrs eines Autos angeordnet ist. Bezugsnummer 100 kennzeichnet einen gesamten Katalysatorbehälter. Dieser Katalysatorbehälter 100 hat einen Katalysatorbehälter-Erstabschnitt 101, einen Behälter-Zweitabschnitt 102, einen Behälter-Drittabschnitt 103 und einen Behälter-Viertabschnitt 104, die durch Schweißen miteinander gekoppelt sind.
Ein Flansch 101a ist so an die Außenseite des Katalysatorbehälter-Erstabschnittes 101 gepasst, dass er mit einem stromaufwärtigen Abgasrohr (nicht dargestellt) verbunden ist und ein Flansch 104a ist an die Außenseite des Behälter-Viertabschnittes 104 so gepasst, dass er mit einem stromabwärtigen Abgasrohr (nicht dargestellt) verbunden ist.
Ein Katalysator 1 der elektrisch erhitzten Bauart der elektrisch zu erhitzen ist, ist innerhalb des Katalysatorbehälter-Zweitabschnitts 102 angeordnet. Der Elektroheizkatalysator 1 hat eine Unterstützung, die aus einem Metall hergestellt ist und wird durch ein Dämpfermaterial 105, das aus einem leitenden Material hergestellt ist, in Position gehalten, um den Katalysator in einer Umfangsrichtung flexibel zu unterstützen, einen Stopper 107, der aus einem Isolationsmaterial hergestellt ist, um zu verhindern, dass der Katalysator in der stromabwärtigen Richtung durch einen Gasdruck bewegt wird, und ein Haltelement 106 zum Halten dieses Stoppers 107.
Eine massive, stangenartige erste hochtemperaturseitige Elektrode 2, die aus einem hitzebeständigen Material hergestellt ist, wie beispielsweise einem Edelstahl, ist an den Mittelabschnitt des Elektroheizkatalysators 1 gepasst und eine blattartige zweite hochtemperaturseitige Elektrode 3, die sich hin zur Außenperipherieseite erstreckt, ist an den Endabschnitt der ersten hochtemperaturseitigen Elektrode 2 auf deren stromabwärtiger Seite angebracht. Diese zweite hochtemperaturseitige Elektrode 3 ist in die Form gebogen, die in 1 dargestellt ist, sodass sie temperaturveränderungsbedingtes Schrumpfen absorbieren kann. Eine dritte hochtemperaturseitige Elektrode 4 ist an das andere Ende der hochtemperaturseitigen Elektrode 3 angebracht und erstreckt sich durch eine Öffnung 102a nach außen, die in den Katalysatorbehälter-Zweitabschnitt 102 gebohrt ist.
Andererseits ist ein Leiter 6, der aus einem leitenden Material hergestellt ist, an einem Mittelabschnitt angeordnet, und eine niedertemperaturseitige Elektrode 5, die über ein aus MgO (Magnesiumoxid) hergestellten Isolationsmaterial 7 mit einem Metallrohr 8 bedeckt ist, ist über ihr Metallrohr 8 um die Öffnung 102a, die im Katalysatorbehälter-Zweitabschnitt 102 ausgebildet ist, geschweißt.
Der äußere Distalendabschnitt der dritten hochtemperaturseitigen Elektrode 4 ist an den Distalendabschnitt des Leiters 6 der niedertemperaturseitigen Elektrode 5 auf der Seite des Katalysatorbehälters 100 gestemmt oder geschweißt.
Ein Zerteilungsschutzelement 9 ist auf dem Distalendabschnitt der niedertemperaturseitigen Elektrode 5 auf der Seite des Katalysatorbehälters 100 angebracht, sodass verhindert wird, dass das Isolationsmaterial 7 bricht und sich im Katalysatorbehälter 100 verteilt und der Distalendabschnitt des Metallrohrs 8 wird verformt, damit dieses Zerteilungsschutzelement 9 nicht in dem Katalysatorbehälter 100 fällt. Der externe elektrische Draht (nicht dargestellt) ist mit dem anderen Endabschnitt des Leiters 6 der niedertemperaturseitigen Elektrode 5 verbunden. Deshalb hat die niedertemperaturseitige Elektrode 5 eine ausreichende Länge, damit nicht die Temperatur des Verbindungsabschnitts zu hoch wird. Aus diesem Grund weist der Leiter 6 der niedertemperaturseitigen Elektrode 5 einen verdrillten Draht auf, der aus eine Material mit niedrigem Leitungswiderstand, wie beispielsweise Ni (Nickel) hergestellt ist, wohingegen die dritte hochtemperaturseitige Elektrode 4 aus einem Edelstahl mit einem hohen Leitungswiderstand hergestellt ist.
Der Distalendabschnitt des Metallrohrs 8 ist auf die gleiche Art und Weise, wie der Distalendabschnitt des Katalysatorbehälters 100 verformt, damit das Zerteilungsschutzelement 10 das darauf aufgesteckt ist, nicht davon abfällt, aber diese Anordnung ist nicht erforderlich, wenn das Isolationsmaterial 7 an diesem Abschnitt nicht bricht und sich nicht verteilt.
Wenn die so länglich ausgebildete niedertemperaturseitige Elektrode 5, sich bezüglich der Außenfläche des Katalysatorbehälter-Zweitabschnitts 102 senkrecht erstreckt, ist es wahrscheinlich, dass der zweite Abschnitt 102 sich störend auf andere Komponenten auswirkt und die Montierfähigkeit verschlechtert wird. Deshalb ist die niedertemperaturseitige Elektrode 5 in solch einer Art und Weise gewinkelt und gebogen, dass sie sich entlang des Katalysatorbehälters 100 wie in der Zeichnung dargestellt, erstreckt.
Die Dicke des gekrümmten Abschnitts des Metallrohrs 8 ist größer als die des geradlinigen Abschnittes, sodass das Auftreten von lokalen Brüchen und die Verringerung der Dicke zum Zeitpunkt der Biege- und Abwinkelbearbeitung vermieden wird.
Die Dicke des geschweißten Abschnitts des Metallrohrs 8 zur Peripherie der Öffnung 102a, die im Katalysatorbehälter-Zweitabschnitt 102 ausgebildet ist, ist des Weiteren größer als die Dicke seines gekrümmten Abschnittes, sodass eine Verformung vermieden wird und die Lebensdauer verbessert wird, weil die niedertemperaturseitige Elektrode 5 gesamtheitlich durch diesen geschweißten Abschnitt unterstützt wird.
Wenn somit die Dicke des geschweißten Abschnitts t1 ist, die Dicke des gekrümmten Abschnittes t2 ist und die dicke des Abschnittes näher zur externen Elektrode, als der gekrümmte Abschnitt, t3 ist, wird die Beziehung t1 > t2 > t3 erfüllt.
2 ist eine Ausschnitts-Vergrößerung aus 1, sodass der Unterschied der Dicke leichter verstanden werden kann.
Da die niedertemperaturseitige Elektrode 5 aus einem Material mit kleinerem Leitungswiderstand als die dritte hochtemperaturseitige Elektrode 4 hergestellt ist, wie vorstehend beschrieben, wird die Länge der hochtemperaturseitigen Elektrode 5 so erhöht, dass die Temperatur am Verbindungsabschnitt mit dem externen elektrischen Draht ausreichend abgesenkt werden kann, ohne den Leitungswiderstand zu erhöhen. Deshalb hat die vorliegende Erfindung nicht die Probleme vom Stand der Technik, bei dem die Temperatur des externen elektrischen Drahtes am Verbindungsabschnitt ansteigt, sich das Material verändert und sich ein Leitungsdefekt entwickelt. Weil die Temperatur am Verbindungsabschnitt des externen elektrischen Drahtes ausreichend gesenkt werden kann, kann ein gewöhnlicher elektrischer Draht, wie ein vinylbeschichteter Kupferdraht als externer elektrischer Draht verwendet werden.
Die niedertemperaturseitige Elektrode 5 erstreckt sich derart, dass sie so gebogen und gewinkelt ist, dass sie sich entlang des Katalysatorbehälters 100 erstreckt und sich weniger wahrscheinlich störend auf andere Komponenten auswirkt. Deshalb wird die Montierbarkeit nicht verschlechtert.
Die Elektrode mit dem vorstehend beschriebenen Aufbau wird durch die folgenden Produktionsschritte produziert.

(1) Die zweite hochtemperaturseitige Elektrode 3, die dritte hochtemperaturseitige Elektrode 4, der mittige Leiter 6 der niedertemperaturseitigen Elektrode 5 und das Metallrohr 8 werden im Voraus in vorherbestimmte Formen und Größen geschnitten und geformt und das Isolationsmaterial 7 wird in einer zylindrischen Form mit einem Innendurchmesser geformt, der ein klein wenig größer als der Außendurchmesser des mittigen Leiters 6 ist und eine vorherbestimmte Länge aufweist, die kleiner ist, als die Länge des mittigen Leiters 6.
(2) Andererseits ist der Elektroheizkatalysator 1, der an seiner Mitte der ersten hochtemperaturseitigen Elektrode 2 versehen ist, mittels des Dämpfermaterials 105, dem Halterungselement 106 und dem Stopper 107 an den Katalysatorbehälter-Zweitabschnitt 102 gepasst, in dem die Öffnung 102a ausgebildet ist.
(3) Die zweite hochtemperaturseitige Elektrode 2 wird mittels Stemmen oder Schweißen an die dritte hochtemperaturseitige Elektrode 4 angebracht.
(4) Die dritte hochtemperaturseitige Elektrode 4 mit der daran befestigten zweiten hochtemperaturseitigen Elektrode 2 wird dann am Leiter 6 mittels Stemmen oder Schweißen befestigt.
(5) Die Baugruppe wird nach Schritt (4) in das Isolationsmaterial 7 eingefügt, welches im Voraus geformt ist.
(6) Das Isolationsmaterial 7 mit dem durch den Schritt (5) darin eingepassten Leiter 6 wird in das Metallrohr 8 gepasst.
(7) Das Zerteilungsschutzmaterial 9 wird auf beide Endabschnitte des Metallrohrs 8 aufgebracht.
(8) Die Baugruppe nach Schritt (7) wird einer Durchmesserverringerungsbearbeitung mittels Gesenkformen unterworfen.
(9) Die Baugruppe nach dem Schritt (8) wird in die vorherbestimmte Form gebogen.
(10) Die Baugruppe nach Schritt (9) wird durch Schweißen um die Öffnung 102a des Katalysatorbehälter-Zweitabschnittes 102 herum, die im Voraus mittels des Schrittes (2) vorbereitet wurde, befestigt.
(11) Die erste hochtemperaturseitige Elektrode 2 und die zweite hochtemperaturseitige 3 sind durch Schweißen aneinander gekoppelt.
(12) Der Katalysatorbehälter-Erstabschnitt 101 und der Katalysatorbehälter-Drittabschnitt 103 an den im Voraus der Katalysatorbehälter-Viertabschnitt 104 gepasst ist, sind jeweils durch Schweißen an die stromaufwärtigen und stromabwärtigen Seiten des Katalysatorbehälter-Zweitabschnitts 102 gekoppelt.

3 zeigt die Produktionsschritte (1) bis (8) von den vorstehend beschriebenen Schritten. Wie in 3 dargestellt, ist das Isolationsmaterial 7 im Materialkomponentenzustand vor dem Bearbeiten kein Einheitsprodukt, sondern eine Vielzahl von Komponenten, die in eine geeignete Länge geschnitten werden.
Wenn die Elektrode wie vorstehend beschrieben produziert wird, insbesondere wenn der Leiter des niedertemperaturseitigen Leiters im Isolationsmaterial angeordnet wird, ist die Positionierungsarbeit nicht erforderlich, sondern kann exakt und innerhalb einer kurzen Zeitdauer ohne erforderliche Fertigkeiten positioniert werden. Wie vorstehend beschrieben kann die vorliegende Erfindung die Temperatur der Verbindung des externen elektrischen Drahtes, der mit dem erhitzten Körper verbunden ist, welcher auf eine hohe Temperatur erhitzt wird, ohne Erhöhen des Leitungswiderstandes absenken.
Eine Elektrode zum Verbinden eines elektrischen externen Drahtes an einem erhitzten Körper, der auf eine hohe Temperatur erhitzt wird.
Die Elektrode dieser Erfindung hat eine hochtemperaturseitige Elektrode die aus einem Leiter hergestellt ist, der mit dem erhitzten Körper verbunden ist und eine niedertemperaturseitige Elektrode, die an einem Ende mit der hochtemperaturseitigen Elektrode verbunden ist und am anderen Ende mit dem externen elektrischen Draht verbunden ist.
Die niedertemperaturseitige Elektrode wird ausgebildet, indem ein mittig angeordneter Leiter über ein Isolationsmaterial mit einem Abdeckmaterial bedeckt wird, und wobei der Leiter der niedertemperaturseitigen Elektrode aus einem Material mit kleinerem Leitungswiderstand als der des Leiters der hochtemperaturseitigen Elektrode hergestellt ist.
Weil der Leiter der niedertemperaturseitigen Elektrode aus einem Material hergestellt ist, das einen kleineren Leitungswiderstand als der des Leiters der hochtemperaturseitigen Elektrode hat, kann die Erhöhung des Widerstandswertes begrenzt werden, selbst wenn der Leiter sich so erstreckt, dass die Temperatur des Verbindungsabschnittes mit dem externen elektrischen Draht niedriger wird.

Claims

Ein Elektrodenaufbau zum Verbinden eines externen elektrischen Drahts mit einen erhitzten Körper, der auf eine hohe Temperatur aufgeheizt wird, gekennzeichnet durch eine hochtemperaturseitige Elektrode (2, 3, 4), die aus einem Stromleiter hergestellt ist, der mit dem erhitzten Körper verbunden ist; und eine niedertemperaturseitige Elektrode (5), von der ein Endabschnitt mit der hochtemperaturseitigen Elektrode (2, 3, 4) verbunden ist und von der der andere Endabschnitt mit dem externen elektrischen Draht verbunden ist; wobei die niedertemperaturseitige Elektrode (5) ausgebildet wird, indem ein mittig angeordneter Stromleiter (6) mit einem Abdeckmaterial über ein Isolationsmaterial abgedeckt wird; und der Stromleiter (6) der niedertemperaturseitigen Elektrode (5) aus einem Material hergestellt ist, das einen kleineren Leitungswiderstand hat als der des Stromleiters der hochtemperaturseitigen Elektrode (2, 3, 4).
Elektrodenaufbau gemäß Anspruch 1, wobei der erhitzte Körper ein Katalysator (1) ist, der innerhalb eines Abgaskanals eines Verbrennungsmotors angeordnet ist, wobei die hochtemperaturseitige Elektrode (2, 3, 4), mit dem Katalysator (1) verbunden ist und innerhalb dem Abgaskanal angeordnet ist, und wobei die niedertemperaturseitige Elektrode (5) außerhalb des Abgaskanals angeordnet ist.
Elektrodenaufbau gemäß Anspruch 2, wobei sich die niedertemperaturseitige Elektrode (5) zur Verbindung mit dem externen elektrischen Draht entlang der Außenwand des Abgaskanals über einen gekrümmten Abschnitt erstreckt und die Dicke des Abdeckmaterials an dem gekrümmten Abschnitt größer als die Dicke des Abdeckmaterials an dem Abschnitt entlang der Außenwand ist.
Elektrodenaufbau gemäß Anspruch 2, wobei die niedertemperaturseitige Elektrode (5) als Gesamtheit unterstützt wird, wenn das Abdeckmaterial der niedertemperaturseitigen Elektrode (5) an die Außenwand des Abgaskanals geschweißt ist, und die Dicke des Abdeckmaterials an dem geschweißten Abschnitt größer als die Dicke des Abdeckmaterials an anderen Abschnitten ist.
Elektrodenaufbau gemäß Anspruch 2, wobei die hochtemperaturseitige Elektrode (2, 3, 4) des Weiteren eine erste hochtemperaturseitige Elektrode (2), eine zweite hochtemperaturseitige Elektrode (3) und eine dritte hochtemperaturseitige Elektrode (4) hat; wobei die erste hochtemperaturseitige Elektrode (2) direkt mit einem Ende mit dem Katalysator (1) verbunden ist und wobei deren anderes Ende mit der zweiten hochtemperaturseitigen Elektrode (3) verbunden ist; wobei die zweite hochtemperaturseitige Elektrode (3) solch eine Form hat, dass sie temperaturveränderungsbedingtes Schrumpfen absorbiert und von der ein Ende mit der ersten hochtemperaturseitigen Elektrode (2) und von der das andere Ende mit der dritten hochtemperaturseitigen Elektrode (4) verbunden ist und wobei die dritte hochtemperaturseitige Elektrode (4) so angeordnet ist, dass sie durch die Wand des Katalysatorbehälters (100) dringt, der einen Teil des Abgaskanals bildet, und von der ein Ende mit der zweiten hochtemperaturseitigen Elektrode (3) und von der das andere Ende mit der niedertemperaturseitigen Elektrode (5) verbunden ist.
Elektrodenaufbau gemäß Anspruch 5, wobei die dritte hochtemperaturseitige Elektrode (4) und die niedertemperaturseitige Elektrode (5) mittels Verstemmen verbunden sind.
Elektrodenaufbau gemäß Anspruch 5, wobei die dritte hochtemperaturseitige Elektrode (4) und die niedertemperaturseitige Elektrode (5) durch Schweißen verbunden sind.
Elektrodenaufbau gemäß Anspruch 1, wobei die hochtemperaturseitige Elektrode (2, 3, 4) aus einem Edelstahl hergestellt ist.
Elektrodenaufbau gemäß Anspruch 1, wobei der Stromleiter (6) der niedertemperaturseitigen Elektrode (5) aus einem verdrillten Draht aus Nickel hergestellt ist.
Elektrodenaufbau gemäß Anspruch 1, wobei das Isolationsmaterial der niedertemperaturseitigen Elektrode (5) Magnesiumoxid ist.
Elektrodenaufbau gemäß Anspruch 1, wobei das Abdeckmaterial der niedertemperaturseitigen Elektrode (5) ein Rohr (8) aus Metall ist.
Elektrodenaufbau gemäß Anspruch 1, wobei die niedertemperaturseitige Elektrode (5) hergestellt wird, indem der Stromleiter (6) in das Isolationsmaterial gepasst wird, das im Voraus in einer hohlen rohrförmigen Form ausgebildet wird, dann die erhaltene Baugruppe in das Abdeckmaterial eingefügt wird, das im Voraus in einer hohlen rohrförmigen Form ausgebildet ist, und dann die resultierende Baugruppe einem Gesamtreduktionsrollen mittels Gesenkformen unterworfen wird.