JP2023033217A

JP2023033217A - 排気ヒータ

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Publication number: JP2023033217A
Application number: JP2022133903A
Authority: JP
Inventors: ヘーベルレユルゲン; Juergen Haeberle; シュピートアーヌルフ; Spieth Arnulf
Original assignee: Purem GmbH
Current assignee: Eberspaecher Exhaust Technology GmbH and Co KG
Priority date: 2021-08-26
Filing date: 2022-08-25
Publication date: 2023-03-09
Also published as: US20230067903A1; CN115726867A; EP4141228A1; KR20230031160A; DE102021122085A1; EP4141228B1; US11846219B2

Abstract

【課題】支持体ユニットと加熱導体ユニットとの安定的なまとまった結合が温度に関係なく保証されている排気ヒータを提供する。【解決手段】内燃機関の排気装置用の排気ヒータであって、支持体ユニット２４と、支持体ユニットに支持された、少なくとも１つの通電式の加熱導体１４，１６を備えた加熱導体ユニット１８であって、少なくとも１つの加熱導体は、支持体ユニットに対して少なくとも１つの支持体ユニット－サポートユニット３８，４０により電気的に絶縁されて支持されており、または／かつ少なくとも１つの加熱導体１４は、別の加熱導体１６に対して、少なくとも１つの加熱導体サポートユニット４２により電気的に絶縁されて支持されている、加熱導体ユニットと、加熱導体ユニットと支持体ユニット２４とを固く結合する結合ユニット３１と、排気ヒータコンポーネントのそれぞれ異なる熱膨張を補償する長さ補償ユニット４４とを有する。【選択図】図３

Description

本発明は、排気ヒータであって、自動車の排気装置において、排気装置内を流れる、内燃機関から放出された排気に熱を伝達することができ、これにより、特に内燃機関の運転の始動段階において、排気ヒータに対して下流側に配置された、例えば触媒または粒子フィルタ等のシステム領域を、より迅速に運転温度にせしめる、排気ヒータに関する。

後から公開された独国特許出願公開第１０２０２１１０９５６８号明細書から公知の排気ヒータでは、支持体ユニットの、金属薄板材料から形成された、実質的に板状の２つの支持体部材の間に、加熱導体ユニットの、平材からの切出しにより準備された、実質的に板状もしくは面状に形成された２つの加熱導体が、排気ヒータ長手方向に相応する排気主流れ方向に連続して配置されている。ピン状に形成された複数の結合部材を含む結合ユニットにより、支持体部材と、その間に配置された加熱導体との積層構造体がまとめて結合されている。支持体部材に対する加熱導体の電気的な絶縁もしくは加熱導体相互の電気的な絶縁を達成するために、これらの間にはそれぞれ、電気的に絶縁性の材料、例えばセラミック材料から成る複数のサポートユニットが配置されている。支持体部材と、加熱導体と、その間に配置されたサポートユニットとから成る積層構造体は、結合ユニットの結合部材によりまとめて結合されている。

本発明の課題は、支持体ユニットと加熱導体ユニットとの安定的なまとまった結合が温度に関係なく保証されている排気ヒータを提供することにある。

この課題は本発明に基づき、内燃機関の排気装置用の排気ヒータであって、
－支持体ユニットと、
－支持体ユニットに支持された、少なくとも１つの通電式の加熱導体を備えた加熱導体ユニットであって、少なくとも１つの加熱導体は、支持体ユニットに対して少なくとも１つの支持体ユニット－サポートユニットにより電気的に絶縁されて支持されており、または／かつ少なくとも１つの加熱導体は、別の加熱導体に対して、少なくとも１つの加熱導体サポートユニットにより電気的に絶縁されて支持されている、加熱導体ユニットと、
－加熱導体ユニットと支持体ユニットとを固く結合する結合ユニットと、
－排気ヒータコンポーネントのそれぞれ異なる熱膨張を補償する長さ補償ユニットと
を有する、排気ヒータにより解決される。

このような排気ヒータの様々なコンポーネント、つまり特に支持体ユニットと、加熱導体ユニットと、これらを互いに対して支持するサポートユニットと、固い結合を提供する結合ユニットとは、一般にそれぞれ異なる材料から形成されているため、このような排気ヒータを通流する排気により加熱されると、熱により誘発された、それぞれ異なる膨張を生ぜしめる。比較的低い温度では、結合ユニットにより互いに緊締されて保持された支持体ユニット、加熱導体ユニットおよびサポートユニットの各コンポーネントは、安定的な複合体を提供する。例えば結合ユニットが、排気ヒータを通流する排気により加熱される際に、結合ユニットによりまとめて結合された排気ヒータのコンポーネントよりも大幅に膨張すると、緊締が失われ、この場合は互いに対して少なくとも僅かに可動の排気ヒータのコンポーネントの、損傷または／およびノイズにつながる相対運動が生じる恐れがある。本発明による構成ではこのことを、長さ補償ユニットが、排気ヒータの様々なコンポーネントのこのようにそれぞれ異なる熱膨張を補償し、これにより、排気ヒータの各コンポーネントの温度に関係なく、排気ヒータの各コンポーネントが、結合ユニットにより安定的にまとめて結合されている、ということにより回避する。

簡単に実現されるべき構成のために、結合ユニットは、好適にはピン状の少なくとも１つの結合部材を有していてよく、長さ補償ユニットは、少なくとも１つの結合部材と支持体ユニットまたは／および加熱導体ユニットとの間の結合力伝達経路内に、少なくとも１つの長さ補償部材を有していてよい。

支持体ユニットは、排気ヒータ長手方向軸線の方向に連続していて加熱導体ユニットをそれぞれの間に収容する２つの支持体部材を有していてよい。このような積層構造体において長さ補償作用を確実に提供することができるようにするために、長さ補償ユニットは、少なくとも１つの、好適には全ての結合部材に対応して、支持体部材の少なくとも一方と加熱導体ユニットとの間の支持経路内または／および加熱導体ユニットの２つの加熱導体の間の支持経路内または／および少なくとも一方の支持体部材と少なくとも１つの結合部材との間の支持経路内に、少なくとも１つの長さ補償部材を有している、ということを提案する。

このためには例えば、少なくとも１つの、好適には全ての長さ補償部材は、一方の支持体部材と支持体ユニット－サポートユニットとの間に配置されている、または／かつ少なくとも１つの、好適には全ての長さ補償部材は、２つの加熱導体の間に配置されている、または／かつ少なくとも１つの、好適には全ての長さ補償部材は、一方の支持体部材と、この支持体部材に支持される結合部材の支持領域との間に配置されている、ということが想定されていてよい。

排気ヒータにおける長さ補償ユニットの所定の位置決めを保証するために、少なくとも１つの、好適には全ての結合部材は、少なくとも１つの長さ補償部材を貫通しておりかつ少なくとも１つの支持体ユニット－サポートユニットまたは／および少なくとも１つの加熱導体サポートユニットを貫通している、ということを提案する。これにより、少なくとも１つの結合部材に対応して、この結合部材によりまとめて結合された、１つまたは複数のサポートユニットと、１つまたは複数の長さ補償部材とから成る積層体が提供される。

長さ補償機能を提供するために、少なくとも１つの、好適には全ての長さ補償部材は、少なくとも１つの結合部材の材料よりも大きな熱膨張係数を有する材料により形成されていてよい。これにより、このような長さ補償部材が加熱されると、１つもしくは複数の結合部材よりも大幅に膨張するため、結合部材により生ぜしめられる、排気ヒータの様々なコンポーネントの緊締が、加熱時にも維持され続ける、ということが保証されている。

例えば、少なくとも１つの結合部材がニッケル－クロム合金材料により形成されている場合、少なくとも１つの長さ補償部材は、鋼材料、好適には１．４９８０鋼により形成されていてよい。

１つの別の構成では、長さ補償機能は、少なくとも１つの、好適には全ての長さ補償部材が、弾性変形可能な予荷重部材を含むことにより達成され得る。

例えば少なくとも１つの、好適には全ての長さ補償部材は、皿ばねまたは波形ばねとして形成されていてよい。

機械的に安定しておりかつ排気に対して耐性を有する構成のために、支持体ユニットは、金属材料により形成されていてよい。また加熱導体ユニットも、金属材料、特に電圧印加時にその電気抵抗に基づき加熱される金属材料により形成されていてよい。

本発明はさらに、本発明により形成された少なくとも１つの排気ヒータを有する、内燃機関用の排気装置に関する。

以下に、添付の図面を参照して本発明を詳細に説明する。

排気ヒータを示す斜視図である。図１に示した排気ヒータの縦断面図である。結合部材に対応して配置された支持体ユニット－サポートユニットと、長さ補償ユニットの長さ補償部材とを備えた排気ヒータを縦断して示す原理図である。１つの択一的な実施形態を示す、図３に対応する図である。１つの択一的な実施形態を示す、図３に対応する別の図である。

図１および図２には、例えば自動車に設けられる内燃機関の排気装置１２用の排気ヒータ１０が示されている。排気装置１２内では、排気が排気主流れ方向Ｈに排気ヒータ１０を通流可能であり、排気ヒータ１０は、排気ヒータ長手方向軸線Ｌの方向に連続して配置された、ひいては実質的に排気主流れ方向Ｈに流れる排気が連続して周りを流動可能な、全体的に符号１８で表された加熱導体ユニットの２つの加熱導体１４，１６を有している。加熱導体１４，１６は、実質的に板状にもしくは平材から形成されており、平材素材、特に金属素材からの切出しにより、蛇行状構造で延びる複数の部分が提供された構造を備えて形成され得る。

２つの加熱導体１４，１６の、排気ヒータ長手方向軸線Ｌの方向において互いに反対の側には、全体的に符号２４で表された支持体ユニットの、実質的に板状に形成された支持体部材２０，２２が設けられている。板状の支持体部材２０，２２の外周領域には、実質的に円筒状の支持体ケーシング２６が固定されている。

２つの加熱導体１４，１６は、互いに直列または並列に接続されていてよい。電圧源との電気的な接続のために、支持体ケーシング２６を貫通する２つの接続ユニット２８，３０が設けられており、接続ユニット２８，３０は、支持体ケーシング２６により取り囲まれた内部空間内で、加熱導体１４，１６に導電接続されている。

安定的な複合体を得るために、２つの支持体部材２０，２２と、その間に配置された、互いにすぐ隣に位置する加熱導体１４，１６とは、ピン状に形成された複数の結合部材３２を含む結合ユニット３１により、互いに固く結合されている。結合部材３２は、例えば軸部３４とヘッド３６とを備えたスタッドとして形成されていてよい。軸部３４には、例えばナット部材３７がねじ嵌められていてよく、これによりヘッド３６とナット部材３７との間に、支持体部材２０，２２と加熱導体１４，１６とから成る積層構造体を挟み込むことができる。

支持体ユニット２４の、一般に金属材料から形成される支持体部材２０，２２に対して、加熱導体１４，１６の電気的な絶縁を達成するためには、加熱導体部材１４と支持体部材２０との間に、例えば各結合部材３２に対応して、電気的に絶縁性の材料、例えばセラミック材料により形成され、実質的に板状に形成され、かつ対応する結合部材３２が、内部に設けられた開口の領域を貫通する支持体ユニット－サポートユニット３８が設けられている。同様に、例えば各結合部材３２に対応して、加熱導体１６と支持体部材２２との間に配置された支持体ユニット－サポートユニット４０が設けられている。支持体ユニット－サポートユニット３８，４０は、例えば構成が互いに実質的に同じであってよい。

隣り合って位置する２つの加熱導体１４，１６を互いに対して電気的に絶縁して支持するためには、例えば各結合部材３２に対応して、加熱導体サポートユニット４２が設けられている。各加熱導体サポートユニット４２も、１つまたは複数のディスクでもって実質的に板状に形成されており、セラミック材料により形成されている。結合部材３２が加熱導体１４，１６を貫通している場所では、加熱導体１４，１６に形成された開口内に、スリーブ状の絶縁部材４３が挿入され得、これにより、加熱導体１４，１６に設けられた開口内での結合部材３２の所定の位置決めを達成することができる。

図３には、結合部材３２に関連して排気ヒータ１０の構成が示されており、排気ヒータ１０では、全体的に符号４４で表された長さ補償ユニットが提供されることにより、排気ヒータ１０の様々なコンポーネントのそれぞれ異なる熱膨張が補償される。この場合に考慮すべきは、２つの支持体部材２０，２２と、加熱導体１４，１６と、その間に配置された支持体ユニット－サポートユニット３８，４０もしくは加熱導体サポートユニット４２とから成る積層構造体において、これらの様々なコンポーネントは互いに異なる構成材料を有している点、特に結合部材３２もしくは各結合部材３２とは異なる構成材料を有している点である。このような異なる構成材料は、一般に異なる熱膨張係数を有しており、このことは結果的に、排気ヒータ１０を通流する排気の加熱時に熱により誘発されるそれぞれ異なる膨張が、低温状態で結合部材３２により形成される緊締の損失を招く場合がある。この場合、それぞれが結合部材３２の支持領域を提供するヘッド３６とナット部材３７との間に保持された排気ヒータ１０のコンポーネントは、これらのコンポーネントが互いに排気ヒータ長手方向軸線Ｌの方向に移動遊びを有している状態に陥る恐れがある。

このようなそれぞれ異なる熱膨張は、長さ補償ユニット４４により補償され、これにより、加熱された排気ヒータ１０においても、結合部材３２によりまとめて結合された排気ヒータ１０のコンポーネントは、緊締された状態で互いに安定的に保持されている。このことを達成するために、長さ補償ユニット４４は、例えば各結合部材３２に対応してディスク状もしくはリングディスク状に形成された長さ補償部材４６を有している。この長さ補償部材４６には、それぞれ異なるサポートユニット３８，４０，４２と同様に、対応する結合部材３２もしくはその軸部３４が貫通していてよく、これにより、排気ヒータ長手方向軸線Ｌに対して横方向においても安定的にまとめて結合された、サポートユニット３８，４０，４２と長さ補償部材４６とから成る積層体が形成されている。

図示の実施例では、図示の結合部材３２に対応する長さ補償部材４６は、結合部材３２のヘッド３６により押圧されひいてはヘッド３６に支持される支持体部材２２と、支持体部材２２に隣り合う支持体ユニット－サポートユニット４０との間に配置されている。長さ補償部材４６は、結合部材３２の形成材料よりも大きな熱膨張係数を有する材料により形成されている。結合部材３２が、加熱される際に排気ヒータ長手方向軸線Ｌの方向に膨張すると、長さ補償部材４６もこの方向に、ただし結合部材３２よりも大幅に膨張する。この場合、結合部材３２は、排気ヒータ長手方向軸線Ｌの方向に、長さ補償部材４６よりもはるかに大きな延在長さを有している、ということも考慮されている。熱により誘発された、結合部材３２の相対的な長さ変化は、排気ヒータ長手方向Ｌにおける結合部材３２の比較的大きな延在長さに基づき、比較的大きな絶対的な長さ変化をもたらすため、長さ補償部材４６は、その加熱時の相対的な長さ変化が、長さ補償部材４６の延在長さが排気ヒータ長手方向Ｌにおいてより短いにもかかわらず、長さ補償部材４６の絶対的な長さ変化が少なくとも結合部材３２の絶対的な長さ変化を補償する程度の大きさである材料により形成されている。この場合、２つの支持体部材２０，２２の間に配置された、排気ヒータ１０の別のコンポーネント、つまりそれぞれ異なるサポートユニット３８，４０，４２ならびに加熱導体１４，１６および支持体部材２０，２２自体も、それらの加熱に基づき、排気ヒータ長手方向軸線Ｌの方向に、その延在長さが少なくとも僅かに増大し、したがって、これにより既に、結合部材３２の長さ変化の一部が補償される、ということも考慮されている。これらのコンポーネントの長さ変化により補償されない、結合部材３２の絶対的な長さ変化の部分のみを、長さ補償部材４６の長さ変化により補償する必要がある。

例えば図３に示した構成において、２つの支持体部材２０，２２が鋼板材料により形成されており、加熱導体１４，１６は、電圧が印加されるとその電気抵抗に基づき加熱可能な金属材料により形成されており、それぞれ異なるサポートユニット３８，４０，４２はセラミック材料により形成されており、結合部材３２は金属材料、例えばニッケル－クロム合金材料等により形成されている場合、長さ補償部材４６は、鋼材料、例えば１．４９８０鋼により形成されていてよく、これにより、目標とする、結合部材３２の長さ変化の補償を達成することができる。

このような長さ補償部材４６を、好適には排気ヒータ１０の結合部材３２のそれぞれに対応する長さ補償ユニット４４が有している、ということに留意されたい。さらに、このような長さ補償部材４６は、別の位置に配置されていてもよい、ということにも留意されたい。例えば、長さ補償部材４６は、支持体部材２０と支持体ユニット－サポートユニット３８との間に配置されていてもよいか、または支持体ユニット－サポートユニット３８，４０のうちの一方と、そのすぐ隣の各加熱導体１４もしくは１６との間に配置されていてもよい。また、長さ補償部材４６は、２つの加熱導体１４，１６の間で、例えば加熱導体サポートユニット４２と、加熱導体１４，１６のうちの一方との間に位置決めされていてもよいか、または加熱導体サポートユニット４２の２つのディスク状の構成部材の間に位置決めされていてもよい。

特に結合部材３２の、熱により誘発される長さ変化を補償せねばならない程度に応じて、積層された複合体において、例えば上述した位置に、複数の長さ補償部材４６を設けることも可能である。

図４には、１つの択一的な実施形態が示されている。この実施形態は、上述した構成と実質的に、ピン状に形成された結合部材３２が、２つの支持体部材２０，２２の軸線方向端部領域に、それぞれ溶接部４８，５０により材料結合式にひいては固く結合されている、という点において相違している。この構成では、支持体部材２０，２２と、加熱導体１４，１６と、サポートユニット３８，４０，４２とから成る積層体が、まとめて結合される際に互いに緊締されて保持され得、この状態で結合部材３２の両方の軸線方向端部領域が、溶接部４８，５０により支持体部材２０，２２に固く結合され得る。この場合も、少なくとも１つの長さ補償部材４６を有する長さ補償ユニット４４が、好適には全ての結合部材３２に対応して設けられている。

図５には、１つの別の択一的な実施形態が示されている。この構成では、例えばスタッドとして形成された結合部材３２に対応して設けられた長さ補償部材４６が、弾性変形可能な予荷重部材として、特に皿ばねとして形成されている。長さ補償部材４６は、その軸線方向の予荷重に基づき、熱により結合部材３２の長さ変化が誘発された場合でも、排気ヒータ１０の互いに積層されたコンポーネント、つまり２つの支持体部材２０，２２と、加熱導体１４，１６と、その間に配置されたサポートユニット３８，４０，４２相互に予荷重を加えた状態で、これらを保持する。特に金属材料により形成された皿ばねまたは波形ばねとして構成されていると、このような長さ補償部材４６は、長さ補償部材４６により生ぜしめられる予荷重力が、排気ヒータ１０の温度が変化する温度範囲内で確実に維持され続けることを保証する。

最後に述べておくと、上述した長さ補償ユニットの構成は、様々な態様において可変であり得る。既に述べたように、１つまたは複数の結合部材に対応して、複数の長さ補償部材が、それぞれ異なる軸線方向位置に配置されていてもよい。択一的または追加的に、長さ補償部材は、一方または両方の支持体部材２０，２２の、加熱導体とは反対の外側に配置されてもよく、その結果、長さ補償部材は、各支持体部材２０，２２と、結合部材の支持領域、つまり例えばヘッド３６またはナット部材３７との間に配置されている。また、このような構成でも、長さ補償部材４６は、予荷重力を生ぜしめる弾性変形可能な予荷重部材として、つまり例えば皿ばねまたは波形ばねとして形成されていてよいか、またはそのより大きな熱膨張係数に基づき、結合部材３２の比較的大きな絶対的な長さ変化を補償する材料により形成されていてよい。

Claims

内燃機関の排気装置用の排気ヒータであって、
－支持体ユニット（２４）と、
－該支持体ユニット（２４）に支持された、少なくとも１つの通電式の加熱導体（１４，１６）を備えた加熱導体ユニット（１８）であって、少なくとも１つの前記加熱導体（１４，１６）は、前記支持体ユニット（２４）に対して少なくとも１つの支持体ユニット－サポートユニット（３８，４０）により電気的に絶縁されて支持されており、または／かつ少なくとも１つの前記加熱導体（１４）は、別の前記加熱導体（１６）に対して、少なくとも１つの加熱導体サポートユニット（４２）により電気的に絶縁されて支持されている、加熱導体ユニット（１８）と、
－該加熱導体ユニット（１８）と前記支持体ユニット（２４）とを固く結合する結合ユニット（３１）と、
－排気ヒータコンポーネントのそれぞれ異なる熱膨張を補償する長さ補償ユニット（４４）と
を有する、排気ヒータ。
前記結合ユニット（３１）は、好適にはピン状の少なくとも１つの結合部材（３２）を有しており、前記長さ補償ユニット（４４）は、少なくとも１つの前記結合部材（３２）と前記支持体ユニット（２４）または／および前記加熱導体ユニット（１８）との間の結合力伝達経路内に、少なくとも１つの長さ補償部材（４６）を有している、請求項１記載の排気ヒータ。
前記支持体ユニット（２４）は、排気ヒータ長手方向軸線（Ｌ）の方向に連続していて前記加熱導体ユニット（１８）をそれぞれの間に収容する２つの支持体部材（２０，２２）を有しており、前記長さ補償ユニット（４４）は、少なくとも１つの、好適には全ての前記結合部材（３２）に対応して、前記支持体部材（２０，２２）の少なくとも一方と前記加熱導体ユニット（１８）との間の支持経路内または／および前記加熱導体ユニット（１８）の２つの前記加熱導体（１４，１６）の間の支持経路内または／および少なくとも一方の前記支持体部材（２０，２２）と少なくとも１つの前記結合部材（３２）との間の支持経路内に、少なくとも１つの前記長さ補償部材（４６）を有している、請求項２記載の排気ヒータ。
少なくとも１つの、好適には全ての前記長さ補償部材（４６）は、一方の前記支持体部材（２０，２２）と前記支持体ユニット－サポートユニット（３８，４０）との間に配置されている、または／かつ少なくとも１つの、好適には全ての前記長さ補償部材（４６）は、２つの前記加熱導体（１４，１６）の間に配置されている、または／かつ少なくとも１つの、好適には全ての前記長さ補償部材（４６）は、一方の前記支持体部材（２０，２２）と、該支持体部材（２０，２２）に支持される前記結合部材（３２）の結合部材支持領域との間に配置されている、請求項３記載の排気ヒータ。
少なくとも１つの、好適には全ての前記結合部材（３２）は、少なくとも１つの前記長さ補償部材（４６）を貫通しておりかつ少なくとも１つの前記支持体ユニット－サポートユニット（３８，４０）または／および少なくとも１つの前記加熱導体サポートユニット（４２）を貫通している、請求項２から４までのいずれか１項記載の排気ヒータ。
少なくとも１つの、好適には全ての前記長さ補償部材（４６）は、少なくとも１つの前記結合部材（３２）の材料よりも大きな熱膨張係数を有する材料により形成されている、請求項２から５までのいずれか１項記載の排気ヒータ。
少なくとも１つの前記結合部材（３２）は、ニッケル－クロム合金材料により形成されており、少なくとも１つの前記長さ補償部材（４６）は、鋼材料、好適には１．４９８０鋼により形成されている、請求項６記載の排気ヒータ。
少なくとも１つの、好適には全ての前記長さ補償部材（４６）は、弾性変形可能な予荷重部材を含む、請求項２から７までのいずれか１項記載の排気ヒータ。
少なくとも１つの、好適には全ての前記長さ補償部材（４６）は、皿ばねまたは波形ばねとして形成されている、請求項８記載の排気ヒータ。
前記支持体ユニット（２４）は、金属材料により形成されており、または／かつ前記加熱導体ユニット（１８）は、金属材料により形成されている、請求項１から９までのいずれか１項記載の排気ヒータ。
請求項１から１０までのいずれか１項記載の排気ヒータ（１０）を少なくとも１つ有している、内燃機関用の排気装置。