FR3111944A1 - Dispositif de chauffage, dispositif de purification, ligne d’échappement, procédé de fabrication du dispositif de chauffage - Google Patents

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Abstract

Dispositif de chauffage, dispositif de purification, ligne d’échappement, procédé de fabrication du dispositif de chauffage Le dispositif de chauffage (19) comprend un élément chauffant (20) présentant une zone centrale (32) et un bord périphérique (33); l’élément chauffant (20) présentant une succession de fentes (49.1 à 49.8) délimitant une succession de branches (51.1 à 51.9) longitudinales raccordées les unes aux autres par des coudes (53.1 à 53.8); la zone centrale (32) étant en un premier matériau électriquement conducteur et perméable aux gaz d’échappement, présentant une première densité relative ;les coudes (53.1 à 53.8) étant situés dans le bord périphérique (33), les coudes (53.1 à 53.8) étant en un second matériau électriquement conducteur et présentant une seconde densité relative supérieure à la première densité relative. Figure pour l'abrégé : 2

Description

Dispositif de chauffage, dispositif de purification, ligne d’échappement, procédé de fabrication du dispositif de chauffage
La présente invention concerne en général le chauffage des organes de purification de gaz d’échappement.
Il est possible, pour chauffer un organe de purification de gaz d’échappement, d’utiliser un dispositif de chauffage comportant un élément en forme de plaque, en un matériau électriquement conducteur et perméable au gaz d’échappement. Deux électrodes sont raccordées au bord périphérique de l’élément, en des points sensiblement opposés l’un à l’autre par rapport au centre de la plaque. Des fentes sensiblement parallèles les unes aux autres sont découpées dans la plaque, de manière à créer un parcourt sinueux pour le courant électrique circulant d’une électrode à l’autre.
En effet, du fait de la présence des fentes, l’élément chauffant comporte plusieurs branches sensiblement parallèles, raccordées les unes aux autres par des rebroussements en U.
On observe dans un tel élément chauffant électrique des zones dans lesquelles la densité de courant électrique est particulièrement élevée. Ces zones sont situées notamment au niveau des rebroussements en U. Le matériau constituant l’élément chauffant est porté à une température élevée. Il existe ainsi des gradients de température significatifs au sein de l’élément chauffant, ce qui contribue à diminuer la durée de vie de l’élément chauffant.
Il est possible, pour remédier à ce problème, d’élargir les extrémités des fentes.
Ceci contribue à obtenir une distribution de la densité de courant électrique qui soit plus uniforme, et des gradients de température plus faibles au sein de l’élément chauffant.
Toutefois, cette solution n’est pas entièrement satisfaisante.
Dans ce contexte, l’invention vise à proposer un dispositif de chauffage pour un organe de purification de gaz d’échappement dont la durée de vie est augmentée.
A cette fin, l’invention porte selon un premier aspect sur un dispositif de chauffage pour un organe de purification de gaz d’échappement, le dispositif de chauffage comprenant un élément chauffant présentant une zone centrale et un bord périphérique entourant la zone centrale;
l’élément chauffant présentant une succession de fentes, les fentes définissant un parcours en S à travers l’élément chauffant;
les fentes délimitant dans l’élément chauffant une succession de branches longitudinales raccordées les unes aux autres par des coudes et décalées transversalement les unes par rapport aux autres ;
la zone centrale étant en un premier matériau électriquement conducteur et perméable aux gaz d’échappement, présentant une première densité relative ;
les coudes étant situés dans le bord périphérique, les coudes étant en un second matériau électriquement conducteur et présentant une seconde densité relative supérieure à la première densité relative.
Du fait que les coudes sont réalisés dans un matériau ayant une densité relative plus élevée que celle de la zone centrale de l’élément chauffant, la densité de courant au niveau des coudes est réduite.
En effet, la densité de courant vérifie l’équation suivante :
D=I/S
où D est la densité de courant électrique en Ampères par cm2, I le courant électrique en Ampères, et S la section pleine du matériau en cm2.
Pour un matériau telle qu’une mousse, la section pleine correspond à la partie de la section constituée du matériau plein, sans prendre en compte les pores.
Dans le second matériau, cette section pleine est supérieure à la section pleine du premier matériau. Choisir une densité relative plus grande permet donc de diminuer la densité de courant au niveau des coudes et contribue donc à réduire ou même à éliminer les points chauds au niveau des coudes.
De ce fait, les zones des coudes portées à température élevée sont beaucoup plus réduites en superficie, ce qui contribue à allonger la durée de vie de l’élément chauffant. Les gradients de température au sein de l’élément chauffant sont ainsi réduits.
Le dispositif de chauffage peut en outre représenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :
- des premier et second organes d’alimentation électrique sont raccordés à des premier et second tronçons du bord périphériques constitué dudit second matériau ;
- le bord périphérique est entièrement constitué du second matériau ;
- les coudes sont entièrement constitués du second matériau ;
- le bord périphérique est divisé en un premier bord et un second bord, chaque fente débouchant au niveau du premier bord ou au niveau du second bord par une extrémité proximale et présentant une extrémité distale fermée située dans le bord périphérique ;
- le premier matériau est une mousse d’une matière métallique, présentant une première concentration volumique de pores ;
- le second matériau comprend ladite matière métallique et présente une seconde concentration volumique de pores inférieure à la première concentration volumique.
Selon un second aspect, l’invention porte sur un dispositif de purification de gaz d’échappement, comprenant :
  • une enveloppe externe ;
  • un organe de purification du gaz d’échappement placé dans l’enveloppe externe ;
  • un dispositif de chauffage ayant les caractéristiques ci-dessus, l’élément chauffant étant disposé dans l’enveloppe externe, de préférence en amont de l’organe de purification.
Selon un troisième aspect, l’invention porte sur une ligne d’échappement comprenant un dispositif de purification ayant les caractéristiques ci-dessus.
Selon un quatrième aspect, l’invention porte sur un procédé de fabrication d’un dispositif de chauffage ayant les caractéristiques ci-dessus, le procédé de fabrication comprenant les étapes suivantes :
- obtention d’une pièce annulaire constituée du second matériau ;
- obtention d’une plaque constituée du premier matériau ;
- insertion de la plaque à l’intérieur de la pièce annulaire ;
- solidarisation de la plaque et de la pièce annulaire par chauffage à haute température dans un four.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront de la description détaillée qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées, parmi lesquelles :
La figure 1 est une représentation schématique simplifiée d’une ligne d’échappement comportant un dispositif de chauffage selon l’invention ;
La figure 2 est une vue de face de l’élément chauffant de la figure 1, des zones représentant les niveaux de densité de courant électrique dans l’élément chauffant étant superposés sur ladite figure ;
La figure 3 est une vue agrandie d’un détail de la figure 2, montrant un point chaud situé au niveau de l’extrémité distale d’une des fentes ;
La figure 4 est une vue de face de la plaque de la figure 2, montrant les emplacements des différents points chauds, ces points chauds étant définis comme étant les zones de l’élément chauffant où la densité de courant est supérieure à 110 Ampères par cm2 ;
, [Fig.6], [Fig.7] Les figures 5 à 7 sont des vues similaires à celles des figures 2 à 4, pour un élément chauffant comparatif dans laquelle le bord périphérique est constitué du même matériau et de la même densité relative que la zone centrale.
Le dispositif de purification 1 représenté schématiquement sur la figure 1 est prévu pour la purification des gaz d’échappement d’un véhicule, typiquement d’un véhicule automobile à moteur thermique tel qu’une voiture ou un camion.
Il est intercalé dans la ligne d’échappement 3 du véhicule. Celle-ci comprend typiquement un collecteur d’échappement 5 collectant les gaz d’échappement sortant des chambres de combustion du moteur thermique 7 du véhicule. Le collecteur est intégré dans la culasse du moteur ou constitue un élément rapporté sur le moteur.
Le dispositif de purification 1 est raccordé fluidiquement au collecteur 5 par un conduit amont 9, sur lequel sont typiquement intercalés d’autres équipements tels qu’un turbocompresseur.
Vers l’aval, le dispositif de purification 1 est raccordé fluidiquement par un conduit aval 11 à une canule 13. D’autres équipements tels que des silencieux ou d’autres équipements de purification, sont intercalés entre le dispositif de purification 1 et la canule 13. Le gaz d’échappement purifié est relargué dans l’atmosphère par la canule 13.
Le dispositif de purification 1 comprend une enveloppe externe 15 présentant une surface interne 16 ayant un axe central A et un dispositif de chauffage 19 électrique.
Le dispositif de chauffage 19 comprend un élément chauffant électrique 20 logé dans l’enveloppe externe 15 et une alimentation électrique 21.
L’enveloppe externe 15 présente une entrée 23 et une sortie 25 de gaz d’échappement, raccordées respectivement aux conduits amont 9 et aval 11.
L’enveloppe externe 15 présente toute forme adaptée.
Le dispositif de purification 1 comprend encore un organe de purification des gaz d’échappement 17 logé dans l’enveloppe externe 15.
L’organe de purification 17 est par exemple un catalyseur SCR, un catalyseur trois voies, un catalyseur d’oxydation ou un piège à NOx.
Comme visible sur la figure 1, une nappe de maintien 27 est interposée entre l’organe de purification 17 et l’enveloppe externe 15.
Typiquement, un ou plusieurs organes de purification sont placés dans l’enveloppe externe 15.
L’élément chauffant 20 est avantageusement placé en face et à proximité de la face d’entrée 29 de l’organe de purification 17. En variante, l’élément chauffant 20 est placé en face et à proximité de la face de sortie 31 de l’organe de purification 17, c’est-à-dire en aval de celui-ci. Les faces d’entrée 29 et de sortie 31 sont les faces par lesquelles les gaz d’échappement entrent et sortent de l’organe de purification 17.
En variante, l’élément chauffant 20 est placé à distance en amont de l’organe de purification 17.
Typiquement, une autre nappe de maintien (non représentée) est interposée entre l’élément chauffant 20 et l’enveloppe externe 15. Elle maintient l’élément chauffant en position par rapport à l’enveloppe externe 15.
La forme de l’élément chauffant 20 dépend de la section de l’enveloppe externe 15 et de l’organe de purification 17.
Par exemple, elle est circulaire.
En variante, elle est ovale ou de toute autre forme adaptée.
Selon un mode de réalisation, l’élément chauffant 20 est sensiblement plat et peu épais.
L’élément chauffant 20 est typiquement une plaque chauffante. En variante, l’élément chauffant présente toute autre forme adaptée.
L’élément chauffant 20 s’étend typiquement dans un plan sensiblement perpendiculaire à l’axe central A.
Typiquement, l’élément chauffant 20 chauffe par effet Joule.
L’élément chauffant 20 présente une épaisseur comprise entre 2 et 50 mm, de préférence comprise entre 5 et 30 mm, et encore de préférence entre 10 et 20 mm.
Comme visible sur la figure 2, l’élément chauffant 20 comporte une zone centrale 32 et un bord périphérique 33 entourant la zone centrale 32.
Le bord périphérique 33 est à contour fermé.
Le bord périphérique 33 entoure entièrement la zone centrale 32.
Le dispositif de chauffage 19 comporte des premiers et seconds organes d’alimentation électrique 35, 37 qui sont raccordés au bord périphérique 33 de l’élément chauffant 20.
Les premier et second organes d’alimentation électrique 35, 37 sont typiquement des électrodes. En variante, ce sont des contacts électriques assemblés tels que soudés ou tout autre organe adapté.
L’élément chauffant 20 présente une grande face amont 39 et une grande face aval 41 opposées l’une à l’autre (figure 1), et une tranche 43 raccordant l’une à l’autre les grandes faces 39, 41.
Dans l’exemple représenté, les premier et second organes d’alimentation électrique 35, 37 sont rapportés sur la tranche 43.
En variante, les premier et/ou second organes d’alimentation électrique 35, 37 sont rapportés sur la grande face amont 39 ou sur la grande face avale 41, au niveau du bord périphérique 33.
Le bord périphérique 33 est divisé en un premier bord 45 et un second bord 47.
Les premiers et seconds bords 45, 47 couvrent ensemble la totalité du bord périphérique 33.
Les premiers et seconds bords 45, 47 sont délimités par exemple par les premier et second organes d’alimentation électrique 35, 37.
Le premier bord 45 correspond ainsi à la partie du bord périphérique 33 s’étendant depuis le premier organe d’alimentation électrique 35 jusqu’au second organe d’alimentation électrique 37 quand on suit le bord périphérique 33 circonférentiellement dans le sens horaire dans la représentation de la figure 2. Le second bord 47 correspond à la partie du bord périphérique 33 s’étendant depuis le premier organe d’alimentation électrique 35 jusqu’au second organe d’alimentation électrique 37 quand on suit le bord périphérique 33 circonférentiellement dans le sens antihoraire dans la représentation de la figure 2.
Typiquement, les premier et second organes d’alimentation électrique 35, 37 sont disposés de manière symétrique l’une de l’autre par rapport au centre géométrique C de la plaque.
Dans le cas où l’élément chauffant 20 est circulaire, le centre géométrique C de la plaque correspond au centre du cercle. Dans le cas où l’élément chauffant 20 est elliptique, le centre géométrique C correspond au point situé à mi-distance des deux foyers de l’ellipse.
En règle générale, le centre géométrique C correspond à l’isobarycentre de l’ensemble des points de la plaque.
Les premiers et seconds bords 45, 47 sont de même longueur quand les premier et second organes d’alimentation électrique sont symétriques par rapport au centre géométrique C de l’élément chauffant 20.
L’alimentation électrique 21 est raccordée aux premier et second organes d’alimentation électrique 35, 37.
Par exemple, le premier organe d’alimentation électrique 35 est raccordé à un générateur électrique, et le second organe d’alimentation électrique 37 est raccordé à la masse.
En alternative, le premier et second organes d’alimentation électrique 35, 37 forment ensemble un angle inférieur à 180°, et de préférence compris entre 20° et 180°.
En variante, les premiers et seconds bords 45, 47 sont délimités par une droite passant par le centre géométrique C de l’élément chauffant.
Comme visible sur la figure 2, l’élément chauffant 20 présente une succession de fentes 49.1 à 49.8.
Les fentes 49.1 à 49.8 s’étendent toutes sensiblement suivant une direction longitudinale L matérialisée par un trait mixte sur la figure 2.
Autrement dit, chacune des fentes 49.1 à 49.8 s’étend suivant une direction générale longitudinale, qui est la même pour toutes les fentes.
Les fentes 49.1 à 49.8 définissent un parcours en S à travers l’élément chauffant 20.
Les fentes 49.1 à 49.8 sont décalées les unes par rapport aux autres suivant une direction transversale et débouchent alternativement au niveau du premier bord 45 et au niveau du second bord 47.
En d’autres termes, les fentes 49.1 à 49.8 sont espacées les unes des autres suivant la direction transversale T, matérialisée par un trait mixte sur la figure 2.
Typiquement, elles sont sensiblement régulièrement espacées les unes des autres suivant la direction transversale T.
La direction transversale T est perpendiculaire à la direction longitudinale L.
L’élément chauffant 20 s’étend sensiblement dans un plan contenant les directions longitudinales L et transversales T.
Dans l’exemple représenté, l’élément chauffant 20 comporte huit fentes. En variante, l’élément chauffant 20 comporte moins de huit fentes ou plus de huit fentes. Le nombre de fentes est fonction de la taille de l’élément chauffant et de la résistance souhaitée.
La première fente 49.1, située à une première extrémité transversale de la succession de fentes, débouche au niveau de premier bord 45.
La seconde fente 49.2, qui suit la première fente 49.1 dans ladite succession de fentes, débouche au niveau du second bord 47.
Comme indiqué précédemment, les fentes débouchent alternativement aux niveaux des premiers et seconds bords 45, 47, ce qui veut dire que chaque fente qui débouche au niveau du premier bord 45 est encadrée par deux fentes qui débouchent au niveau du second bord 47, et inversement, à l’exception des première et dernière fentes.
Les fentes 49.1 à 49.8 sont traversantes. En d’autres termes, elles s’étendent sur toute l’épaisseur de la plaque chauffante 20, depuis la grande face amont 39 jusqu’à la grande face aval 41, et elles débouchent au niveau des deux grandes faces 39, 41.
Les fentes 49.1 à 49.8 délimitent dans l’élément chauffant 20 une succession de branches longitudinales 51.1 à 51.9 raccordées les unes aux autres par des coudes 53.1 à 53.8.
Les branches 51.1 à 51.9 s’étendent chacune suivant une direction générale longitudinale. Elles sont séparées les unes des autres par les fentes 49.1 à 49.8. Les branches 51.1 à 51.9 sont décalées transversalement les unes par rapport aux autres, comme les fentes 49.1 à 49.8.
Les coudes 53.1 à 53.8 constituent des rebroussements, et ont ainsi des formes de U. Chaque coude 53.1 à 53.8 raccorde deux branches successives de la succession de branches.
Chaque branche 51.2 à 51.8 présente ainsi une première extrémité longitudinale raccordée par un coude à la branche précédente dans la succession, et présentent une seconde extrémité longitudinale opposée à la première raccordée par un autre coude à la branche suivante dans la succession de branches. Le coude et l’autre coude sont orientés dans des sens opposés.
Le premier organe d’alimentation électrique 35 est raccordé à la première branche 51.1. Le second organe d’alimentation électrique 37 est raccordé à la dernière branche 51.9.
Les fentes 49.1 à 49.8 délimitent ainsi un parcours sinueux pour le courant électrique circulant entre les deux organes d’alimentation électrique 35, 37.
La première branche 51.1 est délimitée entre d’une part la première fente 49.1 et d’autre part le bord périphérique 33. La dernière branche 51.9 est délimitée entre d’une part la dernière fente 49.8 et d’autre part le bord périphérique 33.
La zone centrale 32 est en un premier matériau électriquement conducteur et perméable aux gaz d’échappement. Elle présente une première densité relative.
Les coudes 53.1 à 53.8 sont situés dans le bord périphérique 33. Les coudes sont en un second matériau, électriquement conducteur et présentant une seconde densité relative supérieure à la première densité relative.
Les coudes 53.1 à 53.8 sont avantageusement entièrement constitués du second matériau.
Les premier et second organes d’alimentation électrique 35, 37 sont raccordés à des premier et second tronçons 55, 57 du bord périphérique 33 constitué dudit second matériau.
Les premier et second tronçons 55, 57 font partie respectivement de la première branche 51.1 et de la dernière branche 51.9.
Typiquement, le bord périphérique 33 est entièrement constitué du second matériau.
Comme visible sur les figures 2 et 4, chaque fente 49.1 à 49.8 débouche au niveau du premier bord 45 ou au niveau du second bord 47 par une extrémité proximale 59.1 à 59.8, et présente une extrémité distale 61.1 à 61.8 fermée située dans le bord périphérique 33.
Le premier matériau est une mousse d’une matière métallique, présentant une première concentration volumique de pores.
La zone centrale 32 comprend donc un réseau de passages pour les gaz d’échappement, générant un écoulement turbulent des gaz d’échappement à travers l’élément chauffant 20.
La matière métallique constituant la zone centrale 32 est de l’acier inoxydable ou un autre alliage métallique. Par exemple, ce matériau est un alliage de fer, tel que du FeCrAl. En variante, ce matériau est un alliage de nickel ou de cuivre, tel que le NiCr.
La mousse présente des pores ouverts organisés de manière aléatoire ou régulière.
La concentration volumique de pores est typiquement comprise entre 5 ppi (pore per inch, ou pores par pouce en français) et 50 ppi, de préférence entre 7 et 40 ppi, encore de préférence entre 10 et 20 ppi.
Le premier matériau présente typiquement une surface développée comprise entre 500 et 5000 m2/m3, de préférence comprise entre 1000 et 3000 m2/m3, et encore de préférence comprise entre 1300 et 2500 m2/m3.
Le premier matériau présente une densité relative comprise entre 3 et 30%, de préférence entre 5 et 25% et encore de préférence entre 8 et 20%. On entend ici par densité relative le rapport entre la densité du premier matériau et la densité de la matière métallique constituant le premier matériau, à l’état plein, c’est-à-dire dépourvu de pores.
Avantageusement, la zone centrale 32 est revêtue d’au moins un revêtement à fonction catalytique permettant de contribuer au post-traitement du gaz d’échappement. Ce revêtement est prévu pour l’oxydation et/ou la réduction des composés polluants du gaz d’échappement. Il peut être par exemple du même type que ceux utilisés dans les TWC (Three-way Catalyst), DOC (Diesel Oxydation Catalysis), PNA (Passive NOx Absorber), LNT (Lean NOx Trap), SCR (Selective Catalytic Reduction) ou encore pour l’hydrolyse d’un agent réducteur utilisé pour la réduction des oxydes d’azote.
Alternativement ou en plus, ce revêtement est prévu pour augmenter la rugosité de la surface du matériau, en vue de favoriser les turbulences et donc les échanges thermiques.
Le second matériau comprend ladite matière métallique et présente une seconde densité relative de pores inférieure à la première densité.
La seconde densité relative de pores est soit nulle, soit non nulle.
Dans le premier cas, le second matériau est plein. Sa densité relative est égale à 100%. Il ne comporte pas de pores.
Dans le second cas, le second matériau est avantageusement une mousse métallique.
La concentration volumique de pores est alors typiquement comprise entre 10 ppi (pore per inch, ou pores par pouce en français) et 100 ppi, de préférence entre 15 et 80 ppi, encore de préférence entre 30 et 60 ppi.
Le second matériau présente une densité relative comprise entre 10 et 99%, de préférence entre 30 et 75% et encore de préférence entre 35 et 60%.
Avantageusement, le second matériau comprend seulement ladite matière métallique, plus éventuellement des pores.
En variante, le second matériau est un mélange ou un alliage, comprenant non seulement ladite matière métallique mais aussi une autre matière métallique.
En alternative, le second matériau est différent du premier matériau.
Avantageusement, la zone centrale 32 est venue de matière. Elle est d’une pièce, dans le même matériau.
Typiquement, la zone centrale 32 est obtenue par découpe d’une plaque d’une seule pièce du matériau électriquement conducteur.
En alternative, la zone centrale 32 est obtenue par fonderie, extrusion, frittage, fabrication additive (impression 3D), etc.
En d’autres termes, la zone centrale 32 présente sous la forme d’une tranche de matériau électriquement conducteur, découpée directement à la forme recherchée.
Le bord périphérique 33 présente, selon l’axe central de la plaque, la même épaisseur que la zone centrale 32. Cette épaisseur correspond à l’épaisseur de la plaque définie ci-dessus.
Le bord périphérique 33 présente, dans des plans radiaux contenant l’axe central de la plaque, une largeur sensiblement constante.
Cette largeur est comprise entre 2 et 30 mm, de préférence entre 2 et 20 mm, encore de préférence entre 5 et 16 mm.
L’axe central de la plaque est l’axe passant par le centre C de la plaque et perpendiculaire à ses grandes faces 39, 41.
Typiquement, il est confondu avec l’axe central A.
Le bord périphérique 33 présente une forme correspondant sensiblement à la forme de la section de l’enveloppe externe 15. Ainsi, si l’enveloppe externe 15 est de section circulaire, le bord périphérique 33 aura une forme annulaire. Son bord externe 63 et son bord interne 65 seront tous les deux circulaires.
Si l’enveloppe externe 15 présente une section elliptique, le bord périphérique 33 aura une forme générale elliptique. Ses bords externe et interne 63, 65 seront eux aussi elliptiques.
La zone centrale 32 présente une forme conjuguée de celle du bord interne 65 du bord périphérique 33. Sa tranche est plaquée contre le bord interne 65 sur toute sa périphérie. Elle est rigidement fixée audit bord interne 65.
La distribution de densité de courant électrique dans l’élément chauffant 20 a été simulée par calcul dans des conditions représentatives d’une ligne d’échappement réelle.
On a représenté sur la figure 2, cinq zones référencées de a à e, correspondant à des plages de densité de courant électrique croissantes. La zone a correspond aux parties de l’élément chauffant 20 dans lesquelles la densité de courant électrique est comprise entre 10 et 30 Ampères par cm2. Les zones b, c, d et e correspondent respectivement aux parties dans lesquelles la densité de courant électrique est comprise entre 30 et 50, 50 et 70, 70 et 90, 90 et 110 Ampères par cm2.
Il apparait sur cette figure que la quasi-totalité de l’élément chauffant se trouve soit dans la zone a soit dans la zone b. Des parties de surfaces très réduites se trouvent dans les zones c et d, notamment le long de la jonction entre le bord périphérique 33 et la zone centrale 32.
La figure 5 est une vue similaire à celle de la figure 2, pour un élément chauffant de même géométrie. L’élément chauffant de la figure 5 ne se différencie de celui de la figure 2 que par le fait que son bord périphérique est constitué du même matériau et de la même densité relative que la zone centrale.
La densité de courant électrique dans cet élément chauffant a été simulée par calcul, dans les mêmes conditions que pour l’élément chauffant de la figure 2. Les zones a à e correspondent aux mêmes fourchettes de densité de courant électrique que pour la figure 2.
Il apparait clairement sur la figure 5 que la densité de courant électrique est moins uniforme que dans l’élément chauffant de la figure 2. Notamment, une plus grande proportion de l’élément chauffant se trouve dans la zone b. Il existe deux points chauds de grandes tailles au niveau des premiers et seconds organes d’alimentation électrique.
La figure 3 est une vue agrandie d’un détail de la figure 2, montrant un point chaud situé au niveau d’un coude, à l’extrémité distale de la fente 49.5. La longueur de ce point chaud est de 1,76 mm. La longueur est prise ici suivant la direction longitudinale.
La figure 6 est une vue similaire à celle de la figure 3, pour l’élément chauffant de la figure 5. Cette figure montre que la longueur du point chaud est plus courte que sur la figure 3. Cette longueur est d’environ 1,36 mm, et est donc diminuée de 30% par rapport à la figure 3. Ceci met en évidence que le courant électrique est beaucoup plus concentré à l’extrémité distale de la fente sur la figure 6. En conséquence, les gradients de densité de courant électrique et les gradients de température sont beaucoup plus élevés sur la figure 6 que sur la figure 3.
La figure 4 est extraite de la figure 2. Seuls les points chauds HS ont été matérialisés, par superposition sur l’élément chauffant 20. Ces points chauds HS sont définis comme les parties de l’élément chauffant 20 où la densité de courant électrique est supérieure à 110 Ampères par cm2. Ces points chauds HS sont situés aux extrémités distales 61.1 à 61.8 des fentes 49.1 à 49.8, et au niveau des organes d’alimentation électriques 35, 37.
Au total, ces différents points chauds HS correspondent à un volume d’environ 135 mm3 dans l’élément chauffant 20.
La figure 7 est une vue similaire à celle de la figure 4, extraite de la figure 5.
Elle met en évidence deux points chauds de volumes importants, au niveau des premiers et seconds organes d’alimentation électrique 35, 37. Au total, les points chauds occupent un volume de 472 mm3 dans la plaque de la figure 5.
Le procédé de fabrication du dispositif de chauffage décrit ci-dessus va maintenant être détaillé.
Ce procédé de fabrication comprend les étapes suivantes :
  • obtention d’une pièce annulaire constituée du second matériau ;
  • obtention d’une plaque constituée du premier matériau ;
  • insertion de la plaque à l’intérieur de la pièce annulaire ;
  • solidarisation de la plaque et de la pièce annulaire par chauffage à haute température dans un four.
La pièce annulaire est destinée à constituer le bord périphérique 33 de l’élément chauffant 20. Elle présente donc sensiblement la même forme et les mêmes dimensions que le bord périphérique 33 décrit ci-dessus.
Comme décrit plus haut, la pièce annulaire est circulaire ou elliptique ou de toute autre forme adaptée.
Cette pièce annulaire est obtenue de toutes les manières adaptées. Par exemple, cette pièce annulaire est un tronçon de tube constitué du second matériau. Ceci est particulièrement adapté quand le second matériau est plein. La pièce annulaire est alors obtenue en découpant un tronçon du tube.
En variante, la pièce annulaire est roulée et soudée, ou obtenue par fabrication additive, ou encore par frittage.
La plaque est destinée à constituer la zone centrale 32 de l’élément chauffant 20.
Elle est obtenue par tout moyen adapté. Elle est obtenue notamment comme décrit plus haut.
Au court de l’étape de solidarisation, la plaque emboitée dans la pièce annulaire est portée à une température adaptée pour joindre le second matériau au premier matériau, de manière à constituer une liaison entre les matériaux de la pièce annulaire et de la plaque. Cette température est typiquement supérieure à 1000°C, de préférence supérieure à 1200°C.
Le procédé de fabrication comporte encore une étape de fixation du premier organe d’alimentation électrique 35 et du second organe d’alimentation électrique 37 au bord périphérique 33 de l’élément chauffant 20.
Après l’étape de solidarisation, on obtient l’élément chauffant 20.
Le dispositif de chauffage décrit ci-dessus présente de multiples avantages.
Comme décrit plus haut, la densité de courant électrique est plus uniforme au niveau des coudes. Les gradients de densité de courant électrique au niveau des coudes sont réduits, et les gradients de température sont également réduits.
Du fait que les premiers et seconds organes d’alimentation électrique sont eux aussi raccordés à des tronçons constitués du second matériau, ayant une densité relative plus élevée, les gradients de densité de courant électrique au niveau des organes d’alimentation électrique sont eux aussi diminués. Les gradients de températures sont également diminués en conséquence. Par ailleurs, le volume des points chauds au niveau des premiers et seconds organes d’alimentation électrique est diminué de manière significative.
Le fait que le bord périphérique soit entièrement constitué du second matériau permet une fabrication aisée de l’élément chauffant. Il est possible d’utiliser une pièce annulaire tel qu’un tronçon de tube pour obtenir le bord périphérique.
Dans ce cas, la solidarisation de la zone centrale de l’élément chauffant avec le bord périphérique peut être réalisée de manière extrêmement commode en disposant une plaque du premier matériau à l’intérieur de la pièce annulaire, et en passant cet ensemble au four à haute température.
Ceci permet également de faciliter la fixation des premier et second organes d’alimentation électrique au bord périphérique 33, du fait que ces organes sont fixés à des tronçons de densité relative plus élevée.
Le fait que le bord périphérique soit entièrement constitué du second matériau, de densité relative plus élevée, permet également de réduire l’abrasion à laquelle est exposée la nappe de maintien plaquée contre la surface externe de l’élément chauffant.
Du fait que l’extrémité distale de chaque fente est située dans le bord périphérique, toute la matière entourant cette extrémité distale est constituée du second matériau, à densité relative plus élevée. Les points chauds au niveau des coudes sont essentiellement situés autour de cette extrémité distale, de telle sorte que cet agencement des extrémités distales contribue de manière significative à réduire les points chauds dans les coudes.
L’invention peut présenter de multiples variantes.
Dans une variante non préférée, le bord périphérique n’est pas entièrement constitué du second matériau. Seuls par exemple les coudes sont constitués du second matériau, et pas la première branche et la dernière branche.
En variante, les coudes sont partiellement constitués du second matériau. Par exemple, la partie des coudes 53.1 à 53.8 entourant l’extrémité distale 61.1 à 61.8 de chaque fente est dans le second matériau, et la partie des coudes 53.1 à 53.8 située loin de l’extrémité distale 61.1 à 61.8 de chaque fente est dans un autre matériau.
En variante, la partie centrale 32 de l’élément chauffant 20 est dans un matériau non métallique, tel qu’une une céramique. Par exemple, ce matériau est une céramique en carbure de silicium SiC.
En alternative, la partie centrale 32 de l’élément chauffant 20 n’est pas une mousse, mais est en un matériau en nids d’abeilles.

Claims (10)

  1. Dispositif de chauffage pour un organe de purification de gaz d’échappement, le dispositif de chauffage (19) comprenant un élément chauffant (20) présentant une zone centrale (32) et un bord périphérique (33) entourant la zone centrale (32);
    l’élément chauffant (20) présentant une succession de fentes (49.1 à 49.8), les fentes (49.1 à 49.8) définissant un parcours en S à travers l’élément chauffant (20) ;
    les fentes (49.1 à 49.8) délimitant dans l’élément chauffant (20) une succession de branches (51.1 à 51.9) longitudinales raccordées les unes aux autres par des coudes (53.1 à 53.8) et décalées transversalement les unes par rapport aux autres ;
    la zone centrale (32) étant en un premier matériau électriquement conducteur et perméable aux gaz d’échappement, présentant une première densité relative ;
    les coudes (53.1 à 53.8) étant situés dans le bord périphérique (33), les coudes (53.1 à 53.8) étant en un second matériau électriquement conducteur et présentant une seconde densité relative supérieure à la première densité relative.
  2. Dispositif de chauffage selon la revendication 1, dans laquelle des premier et second organes d’alimentation électrique (35, 37) sont raccordés à des premier et second tronçons (55, 57) du bord périphériques (33) constitué dudit second matériau.
  3. Dispositif de chauffage selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle le bord périphérique (33) est entièrement constitué du second matériau.
  4. Dispositif de chauffage selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle les coudes (53.1 à 53.8) sont entièrement constitués du second matériau.
  5. Dispositif de chauffage selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle le bord périphérique (33) est divisé en un premier bord (45) et un second bord (47), chaque fente (49.1 à 49.8) débouchant au niveau du premier bord (45) ou au niveau du second bord (47) par une extrémité proximale (59.1 à 59.8) et présentant une extrémité distale (61.1 à 61.8) fermée située dans le bord périphérique (33).
  6. Dispositif de chauffage selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle le premier matériau est une mousse d’une matière métallique, présentant une première concentration volumique de pores.
  7. Dispositif de chauffage selon revendication 6, dans laquelle le second matériau comprend ladite matière métallique et présente une seconde concentration volumique de pores inférieure à la première concentration volumique.
  8. Dispositif (1) de purification de gaz d’échappement, comprenant :
    - une enveloppe externe (15) ;
    - un organe de purification du gaz d’échappement (17) placé dans l’enveloppe externe (15);
    - un dispositif de chauffage (19) selon l’une quelconque des revendications précédentes, l’élément chauffant (20) étant disposé dans l’enveloppe externe (15).
  9. Ligne d’échappement (3) comprenant un dispositif de purification (1) selon la revendication 8.
  10. Procédé de fabrication d’un dispositif de chauffage selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, le procédé de fabrication comprenant les étapes suivantes :
    - obtention d’une pièce annulaire constituée du second matériau ;
    - obtention d’une plaque constituée du premier matériau ;
    - insertion de la plaque à l’intérieur de la pièce annulaire ;
    - solidarisation de la plaque et de la pièce annulaire par chauffage à haute température dans un four.
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