KR20210127249A - 차량 배기 가스 정화 장치용의 내구성을 갖춘 가열 부재 - Google Patents

차량 배기 가스 정화 장치용의 내구성을 갖춘 가열 부재 Download PDF

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토마 소미에르
마티유 리브한
니꼴라 튀흐
세바스티앙 하노에
뱅상 르부르주아
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포르시아 쥐스뗌 데샤피망
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Abstract

본 발명은 내부 가장자리(46)를 구비한 전기 전도성 둘레 프레임(42), 실질적으로 내부 가장자리(46)의 기하학적 중심(G)에 배치된 중앙 지지부(64), 및 서로 대향하는 제1 및 제2 단부(75, 76)를 각각 구비한 복수의 세장형 가열 요소(74)로 형성된 천공된 가열 그리드(72)를 포함하며, 제1 단부(75)가 둘레 프레임(42)에 연결되며 제2 단부(76)가 중앙 지지부(64)에 연결되는 것인, 차량 배기 가스 정화 장치용 가열 부재(30)에 관한 것이다. 가열 그리드(72)의 개개의 각방향 섹터(77)를 차지하는 각각의 세장형 가열 요소(74)는, 노드(88)에 의해 연결되는 일련의 스트랜드(82, 83)를 형성하도록 해당 각방향 섹터(77)의 내부에 지그재그 방식으로 배치되고, 이웃하는 각방향 섹터(77)를 차지하는 세장형 가열 요소(74)에 상기 노드(88)에 의해 연결된다.

Description

차량 배기 가스 정화 장치용의 내구성을 갖춘 가열 부재
본 발명은 차량 배기 가스 정화 부재의 상류면 또는 하류면에 대향하게 거리를 두고 배치되도록 되어 있는 차량 배기 가스 정화 장치용 가열 부재에 관한 것이다.
본 발명은 또한, 배기 가스 정화 장치 공급 부재, 이러한 가열 부재를 포함하는 내연 기관의 배기 가스 정화 장치, 이러한 정화 장치를 포함하는 배기 라인, 및 이러한 배기 라인을 포함하는 자동차에 관한 것이다.
내연 기관을 갖춘 차량의 배기 라인에는 일반적으로, 예를 들어, NOx, CO 및 탄화수소를 N2, CO2 및 H2O로 변환하는 촉매 정화 장치가 포함된다. 이러한 장치는 촉매 재료가 최소 온도에 있을 때만 효과적이다.
이러한 목적으로, 정화 부재의 상류면에 대향하게 장착된 가열 부재를 포함하는 정화 장치가 개발되어, 차량 시동 시에 정화 부재가 가속 방식으로 가열된다. FR 3 065 027 A1에는 가열 부재가 둘레 프레임과 중앙 지지부의 사이에 장착된 복수의 교차 가열 와이어에 의해 형성되는 정화 장치가 설명되어 있다.
그러나, 기존의 가열 부재는 충분히 만족스럽지 못한데, 이들 가열 부재가 내구성이 좋지 않으며 배기 라인이 직면하는 특히 공격적인 조건으로 인해 빨리 손상되기 때문이다. 또한, 차량 배기 라인의 레이아웃에 한계가 있어 정화 장치가 타원형 단면을 갖는 도관에 수용되어야 함에도 불구하고, 이들 가열 부재는 이러한 도관에는 적합하지 않다.
따라서, 본 발명의 일 목적은 이러한 가열 부재의 내구성을 증가시키는 것이다. 또 다른 목적은 가열 부재가 용이하게 표준화되며 용이하게 취급될 수 있으며, 타원형 단면을 갖는 정화 장치를 포함한 모든 유형의 기존의 배기 가스 정화 장치에 용이하게 통합될 수 있으며, 배기 라인의 크기에 미치는 영향이 매우 제한적이며, 자동화 공정으로 생산될 수 있으며, 정화 장치의 균일하고 신속한 가열을 허용하는 것이다.
이를 위해, 본 발명은 차량 배기 가스 정화 부재의 상류면 또는 하류면에 대향하게 이격 배치되도록 되어 있는 차량 배기 가스 정화 장치용 가열 부재에 있어서, 상기 가열 부재는 기하학적 중심을 갖는 내부 가장자리를 구비한 전기 전도성 둘레 프레임, 실질적으로 기하학적 중심에 배치된 중앙 지지부, 및 기하학적 중심을 중심으로 하며 중앙 지지부로부터 둘레 프레임으로 연장되는 천공된 가열 그리드를 포함하며, 상기 가열 그리드는 각각 서로 대향하는 제1 및 제2 단부를 구비한 복수의 세장형 가열 요소로 형성되며, 제1 단부가 둘레 프레임에 연결되며 제2 단부가 중앙 지지부에 연결되며, 가열 그리드의 개개의 각방향 섹터를 차지하는 각각의 세장형 가열 요소는, 노드에 의해 연결되는 일련의 스트랜드를 형성하도록 해당 각방향 섹터의 내부에 지그재그 방식으로 배치되고, 이웃하는 각방향 섹터를 차지하는 세장형 가열 요소에 상기 노드에 의해 연결되는 것인 가열 부재에 관한 것이다.
본 발명의 특정 실시예에 따르면, 가열 부재가 또한, 단독으로 또는 임의의 조합으로 취해진 기술적으로 가능한 다음의 특징 중 하나 이상을 갖는다:
각각의 스트랜드는 가열 그리드를 통한 배기 가스의 유동 방향에 평행하게 취한 두께 및 가열 그리드를 통한 배기 가스의 유동 방향에 수직으로 그리고 상기 스트랜드의 최대 치수 방향에 수직으로 취한 폭을 가지며, 두께가 폭보다 크며;
두께 대 폭의 비율이 1.5보다 크며, 바람직하게는 2.0보다 크며;
주어진 각방향 섹터를 차지하는 세장형 가열 요소의 각각의 스트랜드가 이웃한 각방향 섹터를 차지하는 각각의 세장형 가열 요소의 대응하는 스트랜드에 접하며;
노드가 복수의 폐쇄 윤곽 등전위선 상에 배열되며, 등전위선 상에 배열된 각각의 노드에 대해, 해당 노드가 연결하는 스트랜드의 사이에서 측정된 상기 노드의 길이 대 길이에 수직으로 측정된 상기 노드의 단면적의 비율이 길이 대 동일한 등전위선 상에 배열된 각각의 다른 노드의 단면적의 비율과 실질적으로 동일하며;
단일 세장형 가열 요소의 스트랜드가 중앙 지지부와 둘레 프레임 사이에 균일하게 분배되며;
각각의 스트랜드가, 기하학적 중심을 중심으로 하여, 상기 스트랜드가 속하는 세장형 가열 요소가 차지한 각방향 섹터에 의해 포위되는 둘레 프레임의 내부 가장자리의 부분의 닮음 변환으로 실질적으로 구성되며;
가열 그리드의 각각의 각방향 섹터가 각각의 다른 각방향 섹터에 의해 포위되는 내부 가장자리의 길이와 동일한 길이의 둘레 프레임의 내부 가장자리의 부분을 포위하며;
둘레 프레임의 내부 가장자리가 비원형이며, 바람직하게는 타원형이며;
둘레 프레임의 내부 가장자리가 길이(a)의 반장축 및 길이(b)의 반단축을 갖는, 기하학적 중심을 중심으로 하는 실질적으로 타원의 형상을 가지며, 상기 내부 가장자리는 서로 접하는 2개의 원호의 결합에 의해 각각 형성된 4개의 곡선의 결합에 의해 구성되며,
● 반경 R1의 제1 원호는 기하학적 중심과 타원의 장축의 정점의 사이에 개재되며 상기 정점으로부터 거리 R1에 배치된 제1 중심을 중심으로 하며,
Figure pct00001
이며, 여기서,
Figure pct00002
이며,
● 반경 R2의 제2 원호는 타원의 단축과 정렬되며 상기 단축의 정점으로부터 거리 R2에 배치된 제2 중심을 중심으로 하며,
Figure pct00003
이며;
가열 그리드가 중앙 지지부에 의해 상부가 형성되며 둘레 프레임에 의해 하부가 형성되는 돔 형상이며; 및
각각의 세장형 가열 요소의 각각의 스트랜드가 원호의 형상으로 형성된다.
본 발명은 또한, 차량의 배기 가스 정화 장치용 공급 부재(20)로서, 전원; 전기 전도성 재료의 슈라우드로서, 배기 가스가 공급 부재로 들어가는 상류면 및 배기 가스가 공급 부재를 빠져나가는 하류면을 구비하며, 전원의 제1 단자 또는 접지부에 전기적으로 연결되는 슈라우드; 전술한 바와 같은 가열 부재로서, 슈라우드에 수용되며, 하류면에 대향하며, 둘레 프레임이 슈라우드와 전기 접촉하도록 상기 슈라우드에 장착되는 가열 부재; 및 중앙 지지부를 상기 전원의 제2 단자에 전기적으로 연결하며, 슈라우드를 통해 연장되며, 상기 슈라우드와 절연되는 전극을 포함하는 공급 부재에 관한 것이다.
본 발명의 특정 실시예에 따르면, 공급 부재는 또한 다음의 특징을 갖는다:
가열 그리드는 상부가 중앙 지지부에 의해 형성되며 하부가 둘레 프레임에 의해 형성되는 돔 형상을 가지며, 가열 부재는 돔의 볼록부가 상류를 향하도록 공급 부재에 장착된다.
본 발명의 추가의 목적은 내연 기관의 배기 가스 정화 장치로서, 배기 가스가 정화 부재로 들어가는 상류면 및 배기 가스가 정화 부재를 빠져나가는 하류면을 구비한 적어도 하나의 배기 가스 정화 부재를 포함하며, 위에 정의된 바와 같은 적어도 하나의 공급 부재를 추가로 포함하며, 상기 공급 부재는 공급 부재의 슈라우드의 하류면이 정화 부재의 상류면과 실질적으로 일치하도록 배치되는 것인 정화 장치; 적어도 하나의 이러한 정화 장치를 포함하는 내연 기관 배기 라인; 및 이러한 배기 라인을 포함하는 자동차이다.
본 발명의 다른 특징 및 장점이 첨부 도면을 참조하여 단지 예시로서 주어진 다음의 설명을 읽음으로써 명백해질 것이다:
도 1은 본 발명에 따른 배기 가스 정화 장치를 포함하는 자동차 배기 라인을 포함하는 차량의 개략도이며;
도 2는 도 1의 배기 라인의 정화 장치의 내부가 보이도록 정화 장치의 외벽이 부분적으로 절개된 정화 장치 일부의 사시도이며;
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 도 2의 정화 장치에 끼워지는 가열 부재의 정면도이며;
도 4는 도 3의 가열 부재의 간략한 정면도로서, 상기 가열 부재를 포함하는 세장형 가열 요소 및 세장형 가열 요소와 관련된 기하학적 관계를 강조하는 간략한 도면이며;
도 5는 도 3의 V로 표시된 세부 부분의 상세한 개략도이며;
도 6은 본 발명의 제2 실시예의 제1 변형예에 따른 도 2의 정화 장치에 끼워지는 가열 부재의 정면도이며; 및
도 7은 본 발명의 제2 실시예의 제2 변형예에 따른 도 2의 정화 장치에 끼워지는 가열 부재의 측면도이다.
도 1에 도시된 배기 라인(1)은 차량, 일반적으로, 내연 기관(3)을 갖춘 차량에 설치되도록 의도된다. 이 차량은 일반적으로, 자동차, 예를 들어, 승용차 또는 트럭이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 배기 라인(1)은 내연 기관(3)의 연소실로부터 배기 가스를 수집하는 매니폴드(5) 및 배기 가스가 대기로 방출되도록 하는 노즐(7)을 포함한다. 배기 라인(1)은 매니폴드(5)와 노즐(7)의 사이에 유동적으로 개재된 배기 가스 정화 장치(9)를 추가로 포함하여, 노즐(7)에 도달하는 배기 가스가 상기 정화 장치(9)에 의해 정화된다.
이 정화 장치(9)는 배기 가스가 정화 부재(10)로 들어가는 상류면(12) 및 배기 가스가 정화 부재(10)를 빠져나가는 하류면(14)을 구비한 적어도 하나의 배기 가스 정화 부재(10)를 포함한다.
이 설명에서, 상류 및 하류는 배기 라인(1)에서의 배기 가스의 정상적인 유동 방향에 대한 것으로 이해된다.
정화 부재(10)는, 예를 들어, SCR 촉매, 삼원 촉매, 산화 촉매, SCRF 미립자 필터, 또는 NOx 트랩이다. 이것은 대칭 축선(도시 생략)을 갖는다.
정화 장치(9)는 정화 부재(10)가 내부에 배치되는 슬리브(16) 및 정화 부재(10)와 슬리브(16)의 사이에 개재된 유지 시트(18)를 추가로 포함한다.
정화 장치(9)는 매니폴드(5)로부터의 배기 가스를 정화 부재(10)에 공급하기 위한 공급 부재(20) 및 정화 부재(10)를 떠나는 정화된 배기 가스를 수집하여 이 배기 가스를 노즐(7)로 안내하기 위한 수집 부재(22)를 추가로 포함한다.
공급 부재(20)는 일반적으로 유입구 원추체 또는 혼합기의 형태이다. 이것은 매니폴드(5)와 정화 부재(10)의 사이에 유동적으로 개재되며, 매니폴드(5)에 유동적으로 연결된 배기 가스 유입구(24)를 포함한다.
수집 부재(22)는 일반적으로 유출구 원추체의 형태이다. 이것은 정화 부재(10)와 노즐(7)의 사이에 유동적으로 개재되며, 노즐(7)에 유동적으로 연결된 배기 가스 유출구(26)를 포함한다.
특히, 공급 부재(20)는 배기 가스용 통로를 획정하는 전기 전도성 재료로 만들어진 슈라우드(28) 및 슈라우드(28)에 수용된 가열 부재(30)를 포함한다. 공급 부재(20)는 또한, 가열 부재(30)에 전기를 공급하기 위한 제1 단자(33A) 및 제2 단자(33B)를 갖는 전원(32)을 포함한다.
슈라우드(28)는 일반적으로 슈라우드(28)에 용접된 나사산이 형성된 로드에 의해 형성되는 전기 연결부에 의해 전원(32)의 제1 단자(33A)에 전기적으로 연결된다. 대안으로서(도시 생략), 슈라우드(28)가 동일한 유형의 전기 연결부에 의해 접지부에 전기적으로 연결된다.
도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 슈라우드(28)는 배기 가스가 공급 부재(20)로 들어가는 상류면(34) 및 배기 가스가 공급 부재(20)를 빠져나가는 하류면(36)을 구비한다. 슈라우드(28)는 상류면(34)으로부터 하류면(36)으로 유입 가스를 안내하도록 되어 있다. 공급 부재(20)는 정화 부재(10)에 대해 슈라우드(28)의 하류면(36)이 정화 부재(10)의 상류면(12)과 실질적으로 일치하도록 배치된다.
슈라우드(28)는 변형 없이 배기 라인의 기계적 응력을 견디도록 되어 있는 구조적 부품이다.
슈라우드(28)는 일반적으로, 용접, 리벳팅 또는 나사 결합에 의해 슬리브(16)에 부착된다.
슈라우드(28)의 하류면(36)은 정화 부재(10)의 대칭 축선과 실질적으로 일치하는 축선(C)을 중심으로 한다.
도 3 내지 도 5에 더 상세히 도시된 본 발명의 제1 실시예에 따르면, 하류면(36)의 단면이 비원형이며, 특히 실질적으로 타원형이다. 도 6 및 도 7에 더 상세히 도시된 본 발명의 제2 실시예에 따르면, 하류면(36)의 단면이 원형이다.
도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 가열 부재(30)는 하류면(36)에 대향하게 슈라우드(28)에 수용되며, 하류면(36)에 대해 공급 부재(20)의 내부를 향해 약간 뒤쪽으로 놓여진다. "약간 뒤쪽으로 놓여진다"는 것은 가열 부재(30)가 하류면(36)으로부터 1 ㎜ 내지 50 ㎜의 거리에 있다는 것을 의미한다. 따라서, 가열 부재(30)는 정화 부재(10)의 상류면(12)으로부터 거리를 두고 대향하게 배치된다.
대안으로서(도시 생략), 가열 부재(30)가 상류면(34)에 대향하게 슈라우드(28)에 수용되며, 상류면(34)에 대해 공급 부재(20)의 내부를 향해 약간 뒤쪽으로 놓여진다.
바람직하게는, 가열 부재(30)가 실질적으로 평평하며, 즉 가열 부재가 그 반경 방향 직경의 10% 미만의 축방향 두께를 갖는다.
가열 부재(30)는 전도성 재료로 이루어진다. 이것은 바람직하게는 한 조각으로 형성된다.
전도성 재료는, 예컨대 철-크롬-알루미늄(FeCrAl) 및 그 합금, 니켈-크롬(NiCr) 및 그 합금, 스테인리스강, Inconel® 또는 탄화규소에서 선택된다. 예컨대, 재료가 Kanthal® A1, Nichrome® 80, Nichrome® 70, Nikrothal® 80 또는 Nikrothal® 70이다.
가열 부재(30)가 일반적으로 전도성 재료의 시트를 절단하여 제조된다. 이 절단은, 예를 들어, 레이저에 의해, 미세 블랭킹(blanking)에 의해, 화학적 절단에 의해, 또는 플레이트에 홀을 생성하는 임의의 기타 수단에 의해 수행된다.
대안으로서, 가열 부재(30)가 적층 제조에 의해, 특히, 3차원 인쇄에 의해 생산된다.
가열 부재(30)는 자립형이다.
도 3을 참조하면, 가열 부재(30)가 체결 링(40)을 포함한다. 이 체결 링(40)은 기하학적 중심(G)을 갖는 내부 가장자리(46)를 구비한 전기 전도성 둘레 프레임(42) 및 둘레 프레임(42)의 주위에 분포된 복수의 전기 전도성의 반경 방향 돌출부(44)를 포함하며, 각각의 반경 방향 돌출부(44)가 둘레 프레임(42)의 기하학적 중심(G)으로부터 멀어지는 방향으로 둘레 프레임(42)으로부터 돌출된다.
둘레 프레임(42)은 축선(C)에 실질적으로 직교하는 평면(도시 생략)을 획정한다.
여기에 도시된 제1 실시예에서, 둘레 프레임(42)의 내부 가장자리(46)가 비원형이며, 특히 타원형이다. 여기서, 내부 가장자리가 실질적으로 타원형이며, 즉, 정점(S1, S2, S3)이 내부 가장자리(46)에 속하는 실질적으로 타원(47)의 형상을 가지며, 이 타원(47)은 기하학적 중심(G)을 가지며 길이(a)의 반장축 및 길이(b)의 반단축을 가지며, 내부 가장자리(46)의 각각의 지점이 상기 타원(47)으로부터 해당 지점을 통과하는 타원(47)의 반경 길이의 10% 미만의 거리에 있다.
도 4를 참조하면, 보다 구체적으로, 내부 가장자리(46)가 서로 접하는 2개의 원호(50, 52)의 결합에 의해 각각 형성된 4개의 곡선(48)의 결합에 의해 구성되며, 반경 R1의 제1 원호(50)는 기하학적 중심(G)과 타원(47)의 장축의 정점(S1)의 사이에 개재되며 상기 정점(S1)으로부터 반경 R1과 동일한 거리에 배치된 중심(O1)을 중심으로 하며,
Figure pct00004
이며, 여기서,
Figure pct00005
이며, 반경 R2의 제2 원호(52)는 타원(47)의 단축과 정렬되며 상기 단축의 정점(S2)으로부터 반경 R2와 동일한 거리에 배치된 중심(O2)을 중심으로 하며,
Figure pct00006
이다.
따라서, 내부 가장자리(46)의 길이(P)는 다음의 수학식으로 제공된다.
[수학식 1]
Figure pct00007
, 여기서,
Figure pct00008
.
내부 가장자리(46)의 이러한 특정 형상은 가열 부재(30)의 설계를 용이하게 하는데, 그 이유는, 아래에 상세히 설명되는 바와 같이, 가열 부재(30)가 본질적으로 단순하고 완벽하게 마스터된 기하학적 형상인 원호인 요소로 구성될 수 있기 때문이다.
대안으로서, 내부 가장자리(46)가 완벽한 타원이다.
기하학적 중심(G)이 축선(C)과 실질적으로 정렬되며, 즉 기하학적 중심(G)이 축선(C)으로부터 10 ㎜ 미만, 유리하게는 5 ㎜ 미만의 거리에 있다.
각각의 반경 방향 돌출부(44)는, 유리하게는, 둘레 프레임(42)과 일체화된다. 이것은 일반적으로, 둘레 프레임(42)과 동일한 조각으로 형성된 탭으로 구성된다.
체결 링(40)은 각각의 반경 방향 돌출부(44)가 슈라우드(28)와 접촉하도록 슈라우드(28)에 용접, 납땜 또는 압입된다. 따라서, 체결 링(40) 및, 특히, 그 둘레 프레임(42)이 슈라우드(28)와 대략 동일한 전위에 있다.
가열 부재(30)는 또한, 둘레 프레임(42)의 내부 가장자리(46)의 기하학적 중심(G)에 실질적으로 배치된 중앙 지지부(64)를 포함한다.
중앙 지지부(64)는 둘레 프레임(42)의 두께와 실질적으로 동일한 두께를 갖는다.
바람직하게는, 중앙 지지부(64) 및 둘레 프레임(42)이 실질적으로 동일한 평면에 놓여 있으며, 즉 프레임(42)의 2개의 대향 단부 및 지지부(64)를 통과하는 평면이 존재한다.
중앙 지지부(64)의 최대 치수는 둘레 프레임(42)의 내부 가장자리(46)의 최대 치수의 20% 미만이다.
특히, 중앙 지지부(64)는 기하학적 중심(G)을 중심으로 하는 전도성 재료로 이루어진 와셔(66)로 구성된다.
이 와셔(66)의 윤곽은 둘레 프레임(42)의 내부 가장자리(46)의 중심(G)의 닮음 변환이다. 따라서, 와셔(66)의 윤곽은, 이 제1 실시예에서, 타원형이며, 특히, 타원(47)의 단축 및 장축과 각각 정렬되는 단축 및 장축을 갖는 실질적으로 타원의 형상을 갖는다.
여기서, 와셔(66)는 중앙에 형성된 관통 홀(68)을 제외하고는 중실형이다. 대안으로서(도시 생략), 와셔(66)가 절개부를 포함한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 중앙 지지부(64)가 슈라우드(28)를 통해 연장되며 슈라우드에 절연된 전극(70)에 의해 전원(32)의 제2 단자(33B)에 전기적으로 연결된다. 중앙 지지부(64)는, 특히, 나사 체결, 용접, 납땜 또는 임의의 기타 적절한 수단에 의해 상기 전극(70)에 연결된다.
전극(70)은 슈라우드(28)에 견고하게 부착된다.
도 3으로 돌아가면, 가열 부재(30)는 기하학적 중심(G)을 중심으로 하며 중앙 지지부(64)로부터 둘레 프레임(42)으로 연장되는 천공된 가열 그리드(72)를 추가로 포함한다.
이 가열 그리드(72)는 자립형이다.
가열 그리드(72)는 실질적으로 일정한, 그리고 바람직하게는 일정한 두께를 갖는다. 유리하게는, 이것은 둘레 프레임(42)의 두께 및 중앙 지지부(64)의 두께와 실질적으로 동일한 두께를 갖는다.
가열 그리드(72)는 하나의 재료로 이루어진다. 이것은 전도성 재료로 이루어진다. 특히, 이것은 둘레 프레임(42) 및 중앙 지지부(64)와 일체화된다.
가열 그리드(72)는 복수의 세장형 가열 요소(74)로 형성된다. 여기서, 이러한 세장형 가열 요소(74)의 개수는 4의 배수이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 각각의 세장형 가열 요소(74)는 서로 대향하는 제1 단부(75) 및 제2 단부(76)를 갖는다. 제1 단부(75)가 둘레 프레임(42)에 연결되며, 제2 단부(76)가 중앙 지지부(64)에 연결된다.
따라서, 제1 단부(75)가 전원(32)의 제1 단자(33A)에 전기적으로 연결되며, 제2 단부(76)가 전원(32)의 제2 단자(33B)에 전기적으로 연결된다. 따라서, 전원(32)이 활성화되면, 각각의 세장형 가열 요소(74)의 제1 단부(75)와 제2 단부(76)의 사이에 전위차가 존재한다. 이 전위차는 전원(32)의 단자(33A, 33B) 사이의 전위차의 함수이다.
각각의 세장형 가열 요소(74)가 기하학적 중심(G)의 주위의 개개의 각방향 섹터(77)를 차지한다. 이 각방향 섹터(77)는 기하학적 중심(G)으로부터 둘레 프레임(42)으로 각각 연장되는 제1 반경(78)과 제2 반경(80)의 사이에 획정된다. 여기서, 제1 반경(78)으로부터 제2 반경(80)으로의 각도가 음의 각도가 되도록 제1 및 제2 반경(78, 80)이 선택된다.
세장형 가열 요소(74)에 의해 차지되는 각방향 섹터(77)는 서로 인접한다. 따라서, 세장형 가열 요소(74)에 의해 차지되는 각각의 각방향 섹터(77)는, 각각 개개의 세장형 가열 요소(74)에 의해 차지되는, 이웃한 제1 및 제2 각방향 섹터(77)의 사이에 개재되며, 상기 각방향 섹터(77)의 제1 반경(78)이 이웃한 제1 각방향 섹터(77)의 제2 반경(80)과 합체되며, 상기 각방향 섹터(77)의 제2 반경(80)이 이웃한 제2 각방향 섹터(77)의 제1 반경(78)과 합체된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 이러한 각방향 섹터(77) 중 적어도 하나는 그 제1 반경(78)이 타원(47)의 반단축 또는 반장축으로 구성된다. 유리하게는, 이들 각방향 섹터(77) 중 적어도 하나는 그 제2 반경(80)이 상기 타원(47)의 반장축에 의해, 반단축에 의해 각각 구성된다.
각각의 세장형 가열 요소(74)는, 중앙 지지부(64)에 연결되며, 둘레 프레임(42)에 연결되며, 그리고 굴곡부(84, 86)에 의해 서로 연결되는 일련의 스트랜드(82, 83)를 형성하도록, 가열 요소가 차지하는 각방향 섹터(77)의 내부에 지그재그 방식으로 배열된다.
각각의 스트랜드(82, 83)는 제1 반경(78)으로부터 제2 반경(80)으로 연장된다.
유리하게는, 상기 세장형 가열 요소(74)의 스트랜드(82, 83)가 중앙 지지부(64)와 둘레 프레임(42)의 사이에 균일하게 분배되어, 2개의 다른 스트랜드(82, 83)의 사이에 개재된 각각의 스트랜드(82, 83)가 상기 2개의 다른 스트랜드(82, 83)로부터 등거리에 있으며, 각각의 최종 스트랜드(82, 83)가 가장 가까운 스트랜드(82, 83)로부터 그리고 중앙 지지부(64) 또는 둘레 프레임(42)으로부터 등거리에 있다.
굴곡부(84, 86)는 제1 반경(78)을 따라 서로 정렬된 제1 굴곡부(84) 및 제2 반경(80)을 따라 서로 정렬된 제2 굴곡부(86)를 포함한다. 제1 굴곡부(84)가 서로 이격되며, 제2 굴곡부(86)가 서로 이격된다.
제1 및 제2 굴곡부(84, 86)는 중앙 지지부(64)로부터 둘레 프레임(42)까지 서로 교대로 배열되며; 다시 말해, 연속적인 제1 굴곡부(84)의 각각의 쌍에 대해, 제2 굴곡부(86)가 해당 쌍의 굴곡부(84) 중 하나의 기하학적 중심(G)으로부터의 거리보다 크고 해당 쌍의 다른 하나의 굴곡부(84)의 기하학적 중심(G)으로부터의 거리보다 작은 기하학적 중심(G)으로부터의 거리에 있으며, 그 반대의 경우도 마찬가지이다.
스트랜드(82, 83)는 제1 스트랜드(82) 및 제2 스트랜드(83)를 포함한다. 각각의 제1 스트랜드(82)는 기하학적 중심(G)에 더 가까운 스트랜드(83)에 또는 중앙 지지부(64)에 제1 굴곡부(84)에 의해 연결되며, 기하학적 중심(G)으로부터 더 멀리 떨어져 있는 스트랜드(83)에 또는 둘레 프레임(42)에 제2 굴곡부(86)에 의해 연결된다. 각각의 제2 스트랜드(83)는 기하학적 중심(G)에 더 가까운 스트랜드(82)에 또는 중앙 지지부(64)에 제2 굴곡부(86)에 의해 연결되며, 기하학적 중심(G)으로부터 더 멀리 떨어져 있는 스트랜드(82)에 또는 둘레 프레임(42)에 제1 굴곡부(84)에 의해 연결된다.
제1 및 제2 스트랜드(82, 83)는 중앙 지지부(64)로부터 둘레 프레임(42)으로 서로 교대로 배열되며; 다시 말해, 연속적인 제1 스트랜드(82)의 각각의 쌍에 대해, 제2 스트랜드(83)가 상기 제1 스트랜드(82)의 사이에 개재되며 그 반대의 경우도 마찬가지이다.
각각의 세장형 가열 요소(74)는, 이웃한 각방향 섹터(77)를 차지하는 세장형 가열 요소(74)에 상기 굴곡부(84, 86)에 의해, 그리고 독점적으로 상기 굴곡부(84, 86)에 의해 연결된다. 따라서, 이웃한 세장형 가열 요소(74)의 각각의 쌍에 대해, 하나의 이러한 세장형 요소(74)의 각각의 제1 굴곡부(84)가 다른 하나의 세장형 요소(74)의 개개의 제2 굴곡부(86)와 접촉하며, 상기 제1 및 제2 굴곡부(84, 86)가 동일한 전위에 있으며 함께 노드(88)를 형성한다(도 3).
도 3에 도시된 바와 같이, 2개의 인접한 각방향 섹터(77)를 차지하는 세장형 가열 요소(74) 사이의 접합부에서, 각각의 세장형 가열 요소(74)의 각각의 스트랜드(82, 83)는 다른 하나의 세장형 가열 요소(74)의 대응하는 스트랜드(82, 83)에 접한다. 따라서, 이들 세장형 가열 요소(74) 사이의 접합부에는 각방향 지점이 없으며, 이것은 가열 그리드(72)의 내부에서 응력이 더 잘 분포될 수 있도록 하며 가열 그리드(72)의 열기계적 저항을 강화한다.
세장형 가열 요소(74)의 각각의 스트랜드(82, 83)에 대해, 해당 스트랜드(82, 83)는, 다른 하나의 세장형 가열 요소(74)의 대응하는 스트랜드(82, 83)와 함께, 실질적으로 기하학적 중심(G)을 중심으로 하는 폐쇄 윤곽을 형성한다. 이 폐쇄 윤곽은, 특히, 실질적으로 둘레 프레임(42)의 내부 가장자리(46)의 중심(G)의 닮음 변환이며; 따라서, 여기서는 실질적으로 타원형이다.
따라서, 스트랜드(82, 83)는 기하학적 중심(G)을 중심으로 하는 동심 링을 형성하며, 중앙 지지부(64)에 연결되며, 둘레 프레임(42)에 연결되며, 엇갈린 노드(88)에 의해 서로 연결된다.
모든 노드(88)가 복수의 폐쇄 윤곽의 등전위선(L) 상에 배열된다. 이러한 선 중 일부가 도 3에 도시되어 있다. 등전위선(L)은 대략 기하학적 중심(G)을 중심으로 한다.
등전위선(L)이 스트랜드(82, 83)에 의해 형성되는 동심 링과 교차하는 것은 아니다.
여기서, 등전위선(L)은 둘레 프레임(42)의 내부 가장자리(46)의 중심(G)의 닮음 변환이다.
동일한 전위의 모든 노드(88)가 동일한 등전위선(L) 상에 배치된다. 등전위선(L) 중 일부가 합체되는 것이 가능하다.
여기서, 등전위선(L)은 모두, 전위가 감소함에 따라 증가하는 평균 직경을 갖는다.
이러한 배열을 가능하게 하기 위해, 동일한 등전위선(L) 상에 위치된 모든 노드(88)가 세장형 가열 요소(74)의 개개의 제1 단부(75)로부터 동일한 전기적 거리에서 상기 세장형 가열 요소(74)를 따라 위치된다.
이들 노드(88)는 또한, 일반적으로, 상기 세장형 가열 요소(74)의 개개의 제2 단부(76)로부터 동일한 전기적 거리에 위치된다.
두 지점 사이의 "전기적 거리"라는 용어는 여기서 그리고 이하에서 이들 두 지점 사이의 전기 저항 값을 의미하는 것으로 이해된다. 따라서, 두 쌍의 개개의 지점이 서로 동일한 전기적 거리에 있다고 말하는 것과 같고, 제1 쌍의 지점 사이의 전기 저항이 제2 쌍의 지점 사이의 전기 저항과 동일하다고 말하는 것과 같다.
이를 위해, 가열 그리드(72)의 각각의 각방향 섹터(77)는 각각의 다른 각방향 섹터(77)에 의해 포위되는 둘레 프레임(42)의 내부 가장자리지(46)의 길이와 동일한 길이의 둘레 프레임(42)의 내부 가장자리(46)의 부분을 포위한다.
따라서, 타원(47)의 각각의 사분의 일에 대해, 타원의 이 사분의 일에 포함된 2개의 이웃한 각방향 섹터(77) 사이의 분리부를 형성하는 각각의 반경(78, 80)은 다음과 같다:
-
Figure pct00009
의 경우(여기서, n은 타원(47)의 단축과 상기 반경(78, 80)의 사이에 개재된 각방향 섹터(77)의 개수이며, N은 각방향 섹터(77)의 총 개수이다), 반경(78, 80)은 타원의 단축과 함께
Figure pct00010
와 실질적으로 동일한 각도를 형성하며; 및
-
Figure pct00011
의 경우, 반경(78, 80)은 타원(47)의 장축과 함께
Figure pct00012
(여기서,q는 타원(47)의 장축과 상기 반경(78, 80)의 사이에 개재된 각방향 섹터(77)의 개수이다)와 실질적으로 동일한 각도를 형성한다.
또한, 각각의 세장형 가열 요소(74)에 대해, 각각의 스트랜드(82, 83)는 중심(G) 및 세장형 가열 요소(74)가 차지하는 각방향 섹터(77)에 의해 포위된 둘레 프레임(42)의 내부 가장자리(46)의 부분의 비율(h/H)(여기서, h는 기하학적 중심(G)으로부터 스트랜드(82, 83)의 중간까지의 거리이며, H는 기하학적 중심(G)으로 부터 각방향 섹터(77)에 의해 포위된 둘레 프레임(42)의 부분의 중간까지의 거리이다)과 실질적으로 닮음 변환이며, 상이한 세장형 가열 요소(74)의 대응하는 스트랜드(82, 83)는 실질적으로 동일한 h/H 비율을 갖는다.
특히, 제1 원호(50)에 의해 형성된 둘레 프레임(42)의 내부 가장자리(46)의 일부를 포위하는 각방향 섹터(77)를 차지하는 각각의 세장형 가열 요소(74)에 대해, 상기 세장형 가열 요소(74)의 각각의 스트랜드(82, 83)가 내부 가장자리(46)의 상기 부분의 정확히 닮음 변환으로 구성된다. 따라서, 각각의 스트랜드(82, 83)는 반경(
Figure pct00013
)을 갖는 원호로 구성되며, 기하학적 중심(G)으로부터의 일 지점의 거리가
Figure pct00014
(여기서, d는 중앙 지지부(64)의 반단축이며, i는 상기 스트랜드(82, 83)와 중앙 지지부(64)의 사이에 개재된 스트랜드(82, 83)의 개수이며, k는 세장형 가열 요소(74)를 구성하는 스트랜드(82,83)의 총 개수이다)와 동일하도록 상기 지점을 중심으로 한다.
마찬가지로, 제2 원호(52)에 의해 형성된 둘레 프레임(42)의 내부 가장자리(46)의 일부를 포위하는 각방향 섹터(77)를 차지하는 각각의 세장형 가열 요소(74)에 대해, 상기 세장형 가열 요소(74)의 각각의 스트랜드(82, 83)가 내부 가장자리(46)의 상기 부분의 정확히 닮음 변환으로 구성된다. 따라서, 각각의 스트랜드(82, 83)는 반경(
Figure pct00015
)을 갖는 원호로 구성되며, 기하학적 중심(G)으로부터의 일 지점의 거리가
Figure pct00016
와 동일하도록 상기 지점을 중심으로 한다.
또한, 제1 원호(50)에 의해 형성된 부분과 제2 원호(52)에 의해 형성된 부분을 가로지르는 둘레 프레임(42)의 내부 가장자리(46)의 일부를 포위하는 각방향 섹터(77)를 차지하는 각각의 세장형 가열 요소(74)에 대해, 상기 세장형 가열 요소(74)의 각각의 스트랜드(82, 83)는 이웃한 각방향 섹터(77)를 차지하는 세장형 가열 요소(74)의 스트랜드(82, 83)에 접하는 호로 구성된다.
따라서, 각각의 스트랜드(82, 83)는 각각의 다른 세장형 가열 요소(74)의 대응하는 각각의 스트랜드(82, 83)의 길이와 실질적으로 동일한 길이를 갖는다. 또한, 따라서, 각각의 스트랜드(82, 83)는 각각의 스트랜드(82, 83) 및 이에 따라 가열 그리드(72)가 기계적으로 고정되는 것을 보장하는 원호와 같이 형상화된다.
또한, 각각의 스트랜드(82, 83)는 그 길이에 대해 수직으로 취한 단면적이 각각의 다른 세장형 가열 요소(74)의 대응하는 각각의 스트랜드(82, 83)의 단면적과 실질적으로 동일하다.
따라서, 각각의 스트랜드(82, 83)는 각각의 다른 세장형 가열 요소(74)의 대응하는 각각의 스트랜드(82, 83)의 전기 저항과 실질적으로 동일한 전기 저항을 갖는다.
마지막으로, 도 5를 참조하면, 각각의 노드가 연결하는 단일 세장형 가열 요소(74)의 스트랜드(82, 83)의 사이에서 반경 방향으로 측정된 각각의 노드(88)의 길이(l) 대 길이(l)의 수직 방향으로 측정된 상기 노드(88)의 최소 단면적(S)의 비율이 길이(l) 대 노드(88)와 동일 등전위선(L) 상에 배열된 각각의 다른 노드(88)의 최소 단면적(S)의 비율과 실질적으로 동일하다.
따라서, 등전위선(L)에 배열된 각각의 노드(88)가 동일한 등전위선(L)에 배열된 각각의 다른 노드(88)의 전기 저항과 실질적으로 동일한 전기 저항을 갖는다. 이에 따라, 각각의 세장형 가열 요소(74)의 각각의 쌍의 스트랜드(82, 83)에 대해, 이들 스트랜드(82, 83) 사이의 전기 저항이 각각의 다른 세장형 가열 요소(74)의 대응하는 스트랜드(82, 83) 사이의 전기 저항과 실질적으로 동일하다.
그 결과, 각각의 세장형 가열 요소(74)는 각각의 다른 세장형 가열 요소(74)의 전기 저항과 실질적으로 동일한 제1 및 제2 단부(75, 76) 사이의 전기 저항을 갖는다. 또한, 동일한 등전위선(L)에 위치한 모든 노드(88)가 세장형 가열 요소(74)의 개개의 제1 단부(75)로부터 동일한 제1 전기적 거리에서 그리고 상기 세장형 가열 요소(74)의 개개의 제2 단부(76)로부터 동일한 제2 전기적 거리에서 상기 세장형 가열 요소(74)를 따라 위치된다.
따라서, 가열 그리드(72)가 중앙 지지부(64)와 둘레 프레임(42) 사이의 전류 유동을 위한 우선적인 경로를 갖지 않는다. 따라서, 전원(32)에 의해 공급되는 전류가 가열 그리드(72) 전체에 걸쳐 고르게 분배될 수 있어, 이에 의해 그리드가 고르게 가열된다.
여전히 도 5를 참조하면, 각각의 세장형 가열 요소(74)의 각각의 스트랜드(82, 83)는 가열 그리드(72)를 통한 배기 가스의 유동 방향에 평행하게, 즉 가열 부재(30)의 평면에 수직으로 취한 두께(e)를 가지며, 가열 그리드(72)를 통한 배기 가스의 유동 방향에 수직으로, 즉 가열 부재(30)의 평면에서 상기 스트랜드(82, 83)의 최대 치수의 방향에 수직으로 취한 폭(w)을 가져, 두께(e)가 폭(w)보다 크며, 두께(e) 대 폭(w)의 비율이 유리하게는 1.5보다 크며, 바람직하게는 2.0보다 크다. 따라서, 상기 스트랜드(82, 83)의 최대 치수의 방향에 수직으로 각각의 스트랜드(82, 83)의 단면은 일반적인 직사각형 또는 타원형이거나, 또는 상기 직사각형과 타원형 사이의 중간 다각형 형상, 예를 들어 세장형의 육각형이다.
이것은 배기 가스 압력에 노출되는 가열 그리드(72)의 표면적을 최소화하여, 이에 의해 가열 그리드(72)에 대한 응력을 감소시킨다. 동시에, 배기 가스 압력을 받는 가열 그리드(72)의 일측 하류에서의 추가 재료 두께가 이 압력에 대한 가열 그리드(72)의 기계적 강도를 증가시킨다. 이 두 가지 효과가 함께 가열 그리드(72)의 내구성을 크게 증가시킨다.
바람직하게는, 두께(e) 대 폭(w)의 비율이 가열 그리드(72)의 용이한 산업적 제조를 허용하도록 10 미만, 예를 들어 5 미만이다.
가열 부재(30)는 유리하게는 다음과 같은 설계 방법에 의해 획득되며, 이러한 설계 방법은 일반적으로 컴퓨터로 구현된다.
먼저, 슈라우드(28)의 하류면(36)의 중심을 중심으로 하는 타원이 결정되며 이 타원의 크기는 둘레 프레임(42)과 돌출부(44)를 수용하도록 상기 타원과 슈라우드(28)의 벽 사이에 충분한 공간을 남기도록 결정된다. 이 타원이 타원(47)을 구성한다.
그런 다음, 내부 가장자리(46)를 구성하는 곡선(48) 중 하나가 그려진다. 이를 위해, 호(50, 52)가 그려져 결합되어 곡선(48)을 형성한다.
그런 다음, 중심(G)과 비율(
Figure pct00017
)을 갖는 각각의 원호(50, 52)의 닮음 변환이 그려지며, 이 비율은 소정의 값에 고정된다. 이들 닮음 변환의 결합에 의해 형성된 곡선이 중앙 지지부(64)의 둘레 가장자리의 일부를 형성한다.
그런 다음, 가열 그리드(72)를 구성하는 세장형 가열 요소(74)의 개수(N)가 결정된다. 이를 위해, 가열 부재(30)의 공칭 작동 온도 및 가열 부재(30)의 공칭 총 복사열 출력값 및 가능하게는 공칭 총 대류열 출력값이 고려된다. 이들 매개 변수에 의해, 복사/대류 및 주울 효과의 법칙의 도움으로, 둘레 함수로서 세장형 가열 요소(74)의 이론적인 총 길이(LT)(
Figure pct00018
의 합과 동일) 및 상기 세장형 가열 요소(74)의 단면적(
Figure pct00019
의 곱과 동일)을 결정하는 것이 가능하다. 그런 다음, 다음의 수학식에 의해 주어지는 이론적인 총 길이(LT)의 전기 저항(R)이 전원(32)의 원하는 공칭 전압으로부터 결정된 목표 전기 저항(Rt)으로 감소되며, 이 비율(R/Rt)은, 예를 들어 매개 변수로서의 목표 온도를 이용한 이분법에 의해 가장 가까운 짝수로 최적화되거나 반올림되며, 이 짝수가 세장형 가열 요소(74)의 개수(N)를 형성한다.
[수학식 2]
Figure pct00020
, 여기서, ρ는 재료의 저항률이다.
그런 다음, 기하학적 중심(G)을 중심으로 하며, 타원(47)의 단축에 인접하고, 각도(
Figure pct00021
)를 형성하는 각방향 섹터(77)가 선택되며, 이 각방향 섹터(77)를 차지하는 세장형 가열 요소(74)를 구성할 스트랜드(82, 83)의 개수(k)가 마치 세장형 가열 요소(74)가 d와 동일한 반경의 중앙 지지부가 차지하는 중심을 가지며 타원(47)의 반단축(b)과 동일한 반경의 원형 그리드의 각도(
Figure pct00022
)의 각방향 섹터를 차지하는 것처럼 결정된다. 이를 위해, 세장형 가열 요소(74)의 길이가 상기 중앙 지지부와 원형 그리드의 둘레 사이에서 반경 방향으로 등거리에 있는 스트랜드의 개수(i)에 대해 산출되며, 각각의 스트랜드는 O2를 중심으로 하는 원호로 구성되며, 이론적 총 길이(LT)에 가능한 한 가까운 길이가 획득될 때까지 개수(i)가 반복적으로 구해진다. 그런 다음, 개수(i)의 최종 값이 개수(k)를 구성한다.
그런 다음, 나머지 각방향 섹터(77)가 2개의 인접한 각방향 섹터(77) 사이의 분리부를 형성하는 각각의 반경(78, 80)이 다음과 같도록 배치된다:
-
Figure pct00023
의 경우, 반경(78, 80)이 타원(47)의 단축과
Figure pct00024
와 실질적으로 동일한 각도를 형성하며; 및
-
Figure pct00025
의 경우, 반경(78, 80)이 타원(47)의 장축과
Figure pct00026
와 실질적으로 동일한 각도를 형성한다.
그런 다음, 제1 원호(50)에 의해 형성된 곡선(48)의 일부를 포위하는 각각의 각방향 섹터(77)에 대해, 반경(
Figure pct00027
의 일련의 원호가 그려지며, 각각의 원호는 기하학적 중심(G)으로부터의 개개의 지점의 거리가
Figure pct00028
(i가 1에서 k까지의 범위의 정수)와 같도록 상기 지점을 중심으로 한다. 이들 원호가 이 각방향 섹터(77)를 차지하는 세장형 가열 요소(74)의 스트랜드(82, 83)를 구성한다.
마찬가지로, 제2 원호(52)에 의해 형성된 곡선(48)의 일부를 포위하는 각각의 각방향 섹터(77)에 대해, 반경(
Figure pct00029
)의 일련의 원호가 그려지며, 각각의 원호는 기하학적 중심(G)으로부터의 개개의 지점의 거리가
Figure pct00030
(i가 1에서 k까지의 범위의 정수)와 같도록 상기 지점을 중심으로 한다. 이들 원호가 이 각방향 섹터(77)를 차지하는 세장형 가열 요소(74)의 스트랜드(82, 83)를 구성한다.
그런 다음, 제1 원호(50)에 의해 형성된 부분과 제2 원호(52)에 의해 형성된 부분을 가로지르는 곡선(48)의 부분을 포위하는 각방향 섹터(77)와 관련하여, 일련의 원호가 그려지며, 각각의 원호는 인접한 각방향 섹터(77)를 차지하는 각각의 세장형 가열 요소(74)의 스트랜드(82, 83)에 접한다. 이들 원호가 이 각방향 섹터(77)를 차지하는 세장형 가열 요소(74)의 스트랜드(82, 83)를 구성한다.
따라서, 스트랜드(82, 83)는, 서로 접하는 각각의 쌍의 스트랜드(82, 83)에 대해, 상기 스트랜드(82, 83)가 실질적으로 동일한 단면을 갖도록 그려진다. 이 단면은, 특히, 전원(32)의 특성을 고려하여, 예를 들어, 세장형 가열 요소(74)의 제1 및 제2 단부(76, 78) 사이에 인가된 전위차를 고려하여 결정된다.
그런 다음, 노드(88)가 중앙 지지부(64)로부터 곡선(48)까지 전기적 및 기계적 연속성을 제공하면서 서로 이격되도록 각방향 섹터(77) 사이의 분리부를 형성하는 반경(78, 80)을 따라 배치된다. 이를 위해, 노드(88)가 지그재그로 배열되어, 즉 인접한 반경(78, 80)의 각각의 쌍에 대해, 노드(88)가 기하학적 중심(G)으로부터의 거리가 증가함에 따라 하나 및 다른 하나의 반경(78, 80) 상에 교대로 배열된다.
노드(88)는 추가로, 기하학적 중심(G)으로부터 제1 거리(d1)에 그리고 곡선(48)으로부터 제2 거리(d2)에 배열된 각각의 노드(88)에 대해, 상기 노드(88)의 길이(l) 대 최소 단면적(S)의 비율이 기하학적 중심(G) 및 곡선(48)으로부터 거리를 두고 배열된 각각의 다른 노드(88)의 길이(l)대 최소 단면적(S)의 비율과 실질적으로 동일하도록 설계되어, 이들 거리의 비율이 실질적으로 d1/d2과 동일하다. 예를 들어, 노드(88)는 노드(88)의 길이(l)와 최소 단면적(S) 사이의 비율이 모든 노드(88)에 대해 실질적으로 동일하도록 설계된다.
그런 다음, 따라서, 완전한 가열 그리드(72)를 획득하도록 타원(47)의 장축, 단축 및 중심에 대해 대칭으로 그려지는 패턴이 획득된다.
최종적으로, 체결 링(40)과 중앙 지지부(64)에 의해 설계가 완료되어, 완전한 가열 부재(30)가 획득된다.
유리하게는, 그런 다음, 가열 부재(30)의 설계가 가열 부재(30)를 생산하기 위해 PLC를 제어하는 데 사용된다.
도 1로 돌아가서, 전원(32)은 차량의 전기 배터리 또는 슈퍼커패시터 장치와 같은 전기 에너지 공급원(90)을 포함한다.
전력 공급원(90)은 일반적으로, 차량 종속 전압(예를 들어, 12V, 48V 또는 400V)에서 직류 또는 초핑 전류(chopped current)를 제공하도록 되어 있다.
전원(32)은 또한, 가열 부재(30)로의 전력 공급을 제어하도록 배치된 제어부(93)를 포함한다.
제어부(93)는, 예를 들어 프로세서 및 프로세서와 연관된 메모리를 포함하는 정보 처리 유닛을 포함한다. 대안으로서, 제어부(93)는 필드 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)와 같은 프로그래머블 로직 컴포넌트로서, 또는 주문형 직접 회로(ASIC)와 같은 전용 집적 회로로서 구현된다.
특히, 제어부(93)는 가열 동력 및/또는 전력 소비를 지정된 범위 내로 유지하도록 전원(32)에 의해 가열 부재(30)에 공급되는 전압 및 전류를 선택하도록 구성된다.
일반적으로, 제어부(93)는 펄스 폭 변조(PWM)에 의해 가열을 제어한다.
전원(32)은 세장형 가열 요소(74)에 공급되는 전류의 암페어와 세장형 가열 요소(74)에 걸쳐 인가되는 전압을 획득하기 위한 부재(94)를 추가로 포함한다.
이 부재(94)는 임의의 적합한 유형이다.
예를 들어, 획득 장치(94)는 전류를 측정하기 위한 센서(95) 및 전압을 측정하기 위한 센서(97)를 포함한다. 대안으로서, 전류 및 전압이 제어부(93)로부터 검색된 정보를 이용한 산출에 의해 획득된다.
유리하게는, 제어부(93)가 세장형 가열 요소(74)의 온도를 제어하며, 세장형 가열 요소(74)의 적절한 작동을 모니터링하며, 가열 부재(30)가 정화기(10)를 가열하는데 더 이상 사용되지 않을 때의 배기 가스의 온도를 결정하며, 가열 부재(30)가 정화기(10)를 가열하는데 더 이상 사용되지 않으면 정화기(10)를 통한 배기 가스의 유량을 결정하도록 구성된다. 이를 위해, 제어부(93)는, 예를 들어 FR 3 065 027 A1에 설명된 제어 프로그램을 구현하도록 구성된다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 가열 부재(30)는 둘레 프레임(42)의 내부 가장자리(46)가 타원형이 아니라 원형이라는 점만 제1 실시예의 가열 부재(30)와 상이하다.
결과적으로, 와셔(66)의 윤곽, 다양한 세장형 가열 요소(74)의 대응하는 스트랜드(82, 83)에 의해 형성되는 폐쇄 윤곽, 및 이 내부 가장자리(46)의 중심(G)의 닮음 변환인 등전위선(L)이 모두, 기하학적 중심(G)을 중심으로 하는 원으로 구성된다. 게다가, 각각의 세장형 가열 요소(74)의 각각의 스트랜드(82, 83)가 기하학적 중심(G)을 중심으로 하는 원호로 구성된다.
따라서, 또한, 본 발명의 제2 실시예에 따른 가열 부재(30)는, 특히 다음과 관련된 특징을 제1 실시예의 가열 부재(30)와 공유한다:
- 다양한 세장형 가열 요소(74)의 스트랜드(82, 83) 사이의 접합부에서의 각방향 지점의 부재;
- 노드(88)의 길이(l) 대 최소 단면적(S)의 비율; 및
- 스트랜드(82, 83)의 두께(e)와 폭(w) 사이의 비율.
도 7의 가열 부재(30)는 평평하지 않다는 점에서 이전 도면에 도시된 가열 부재와 상이하다. 특히, 중앙 지지부(64)가 중앙 지지부(64)와 둘레 프레임(42)이 동일한 평면에 있지 않도록 둘레 프레임(42)의 평면으로부터 축방향으로 오프셋된다.
그리고, 가열 그리드(72)가 중앙 지지부(64)에 의해 상부가 형성되며 둘레 프레임(42)에 의해 하부가 형성되는 돔과 같은 형상을 갖는다. 가열 부재(30)는 이 돔의 볼록부가 상류를 향하도록, 즉 중앙 지지부(64)가 배기 가스의 유동 방향과 관련하여 둘레 프레임(42)의 상류에 배치되도록 공급 부재(20)에 장착된다.
이러한 구성은 가열 그리드(72)에 배기 가스 흐름에 대한 더 우수한 저항성을 제공하는데, 그 이유는 이러한 흐름에 의해 가열 그리드에 가해지는 힘이 둘레 프레임(42)을 향해 그리고 이를 매개로 하여 슈라우드(28)를 향해 재분배되기 때문이다. 이것은 또한, 가열 그리드(72)의 축방향 변형을 허용함으로써 가열 그리드(72)의 온도 상승에 의해 야기되는 열 팽창의 일부를 흡수하는 것을 가능하게 한다; 따라서, 반경 방향 변형이 덜 중요하며, 이것은 와이어(82, 83) 사이의 접촉 위험 및 그에 따른 단락 위험을 감소시킨다.
도 7에 도시된 가열 부재의 또 다른 차이점은 반경 방향 돌출부(44)가 둘레 프레임(42)의 평면 내에 있지 않고 중앙 지지부(64)로부터 축방향으로 멀리 돌출한다는 점이다.
전술한 발명 덕분에, 타원형 단면을 갖는 정화 장치를 포함하며 이러한 단면을 갖는 도관에서의 상대적인 가열 균질성을 허용하는 모든 유형의 정화 장치에 적합한, 우수한 기계적 강도를 갖는 가열 부재(30)를 획득하는 것이 가능하다. 또한, 전류가 가열 부재(30) 내에서 고르게 분배될 수 있기 때문에, 잠재적 파손 지점까지 가열 부재(30)의 국부적 약화를 초래하는 열점의 발생이 방지된다.
또한, 가열 부재(30)가 소정의 매개 변수를 이용하여 용이하게 컴퓨터 설계될 수 있어, 부품 비용이 낮아진다.
마지막으로, 가열 부재(30)가 용이하게 취급될 수 있으며, 특히, 손상 위험 없이 운송될 수 있으며, 배기 라인의 형태 인자에 영향을 주지 않고 기존의 배기 가스 정화 장치에 용이하게 장착될 수 있다.

Claims (14)

  1. 차량 배기 가스 정화 부재(10)의 상류면(12) 또는 하류면(14)에 대향하게 거리를 두고 배치되도록 되어 있는 차량 배기 가스 정화 장치(9)용 가열 부재(30)에 있어서,
    상기 가열 부재(30)는 기하학적 중심(G)을 갖는 내부 가장자리(46)를 구비한 전기 전도성 둘레 프레임(42), 실질적으로 기하학적 중심(G)에 배치된 중앙 지지부(64), 및 기하학적 중심(G)을 중심으로 하며 중앙 지지부(64)로부터 둘레 프레임(42)으로 연장되는 천공된 가열 그리드(72)를 포함하며, 상기 가열 그리드(72)는 각각 서로 대향하는 제1 및 제2 단부(75, 76)를 구비한 복수의 세장형 가열 요소(74)로 형성되며, 제1 단부(75)가 둘레 프레임(42)에 연결되며 제2 단부(76)가 중앙 지지부(64)에 연결되며, 가열 그리드(72)의 개개의 각방향 섹터(77)를 차지하는 각각의 세장형 가열 요소(74)는, 노드(88)에 의해 연결되는 일련의 스트랜드(82, 83)를 형성하도록 해당 각방향 섹터(77)의 내부에 지그재그 방식으로 배치되고, 이웃하는 각방향 섹터(77)를 차지하는 세장형 가열 요소(74)에 상기 노드(88)에 의해 연결되는 것을 특징으로 하는 가열 부재(30).
  2. 제1항에 있어서, 각각의 스트랜드(82, 83)는 가열 그리드(72)를 통한 배기 가스 흐름의 유동 방향에 평행하게 취한 두께(e) 및 가열 그리드(72)를 통한 배기 가스 흐름의 유동 방향에 수직으로 그리고 상기 스트랜드(82, 83)의 최대 치수 방향에 수직으로 취한 폭(w)을 가지며, 두께(e)가 폭(w)보다 큰 것인 가열 부재(30).
  3. 제2항에 있어서, 두께(e) 대 폭(w)의 비율이 1.5보다 크며, 바람직하게는 2.0보다 큰 것인 가열 부재(30).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 주어진 각방향 섹터(77)를 차지하는 세장형 가열 요소(74)의 각각의 스트랜드(82, 83)가, 이웃하는 각방향 섹터(74)를 차지하는 각각의 세장형 가열 요소(74)의 대응하는 스트랜드(82, 83)에 접하는 것인 가열 부재(30).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 노드(88)가 복수의 폐쇄 윤곽 등전위선(L) 상에 배열되며, 등전위선(L) 상에 배열된 각각의 노드(88)에 대해, 해당 노드가 연결하는 스트랜드(82, 83)의 사이에서 측정된 상기 노드(88)의 길이(l) 대 길이(l)에 수직으로 측정된 상기 노드(88)의 단면적(S)의 비율이, 길이(l) 대 동일한 등전위선(L) 상에 배열된 각각의 다른 노드(88)의 단면적(S)의 비율과 실질적으로 동일한 것인 가열 부재(30).
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 가열 그리드(72)의 각각의 각방향 섹터(77)가, 각각의 다른 각방향 섹터(77)에 의해 포위된 내부 가장자리(46)의 길이와 동일한 길이의 둘레 프레임(42)의 내부 가장자리(46)의 부분을 포위하는 것인 가열 부재(30).
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 둘레 프레임(42)의 내부 가장자리(46)가 비원형이며, 바람직하게는 타원형인 것인 가열 부재(30).
  8. 제7항에 있어서, 둘레 프레임(42)의 내부 가장자리(46)가 길이(a)의 반장축 및 길이(b)의 반단축을 갖는, 기하학적 중심(G)을 중심으로 하는 실질적으로 타원(47)의 형상을 가지며, 상기 내부 가장자리(46)는 서로 접하는 2개의 원호(50, 52)의 결합에 의해 각각 형성된 4개의 곡선(48)의 결합에 의해 구성되며,
    - 반경 R1의 제1 원호(50)는 기하학적 중심(G)과 타원(47)의 장축의 정점(S1)의 사이에 개재되며 상기 정점(S1)으로부터 거리 R1에 배치된 제1 중심(O1)을 중심으로 하며,
    Figure pct00031
    이며, 여기서,
    Figure pct00032
    이며,
    - 반경 R2의 제2 원호(52)는 타원(47)의 단축과 정렬되며 상기 단축의 정점(S2)으로부터 거리 R2에 배치된 제2 중심(O2)을 중심으로 하며,
    Figure pct00033
    인 것인 가열 부재(30).
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 가열 그리드(72)는 중앙 지지부(64)에 의해 상부가 형성되며 둘레 프레임(42)에 의해 하부가 형성되는 돔 형상인 것인 가열 부재(30).
  10. 차량의 배기 가스 정화 장치(9)용 공급 부재(20)로서,
    - 전원(32);
    - 전기 전도성 재료의 슈라우드(28)로서, 배기 가스가 공급 부재(20)로 들어가는 상류면(34) 및 배기 가스가 공급 부재(20)를 빠져나가는 하류면(36)을 구비하며, 전원(32)의 제1 단자(33A) 또는 접지부에 전기적으로 연결되는 슈라우드(28);
    - 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 가열 부재(30)로서, 슈라우드(28)에 수용되며, 하류면(36)에 대향하며, 둘레 프레임(42)이 슈라우드(28)와 전기 접촉하도록 상기 슈라우드(28)에 장착되는 가열 부재(30); 및
    - 중앙 지지부(64)를 상기 전원(32)의 제2 단자(33B)에 전기적으로 연결하며, 슈라우드(28)를 통해 연장되며 상기 슈라우드(28)와 절연되는 전극(70)
    을 포함하는 공급 부재(20).
  11. 제10항에 있어서, 가열 부재(30)는 제9항에 따른 것이고, 돔의 볼록부가 상류를 향하도록 공급 부재(20)에 장착되는 것인 공급 부재(20).
  12. 내연 기관의 배기 가스를 정화하기 위한 장치(9)로서,
    배기 가스가 정화 부재(10)로 들어가는 상류면(12) 및 배기 가스가 정화 부재(10)를 빠져나가는 하류면(14)을 구비한 적어도 하나의 배기 가스 정화 부재(10)를 포함하며, 상기 공급 부재(20)의 슈라우드(28)의 하류면(36)이 정화 부재(10)의 상류면(12)과 실질적으로 일치하게 하도록 배치된 제10항 또는 제11항에 따른 적어도 하나의 공급 부재(20)를 추가로 포함하는 장치(9).
  13. 제12항에 따른 적어도 하나의 정화 장치(9)를 포함하는 내연 기관 배기 라인(1).
  14. 제13항에 따른 배기 라인(1)을 포함하는 자동차.
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