KR20220143606A - 배기가스 가열 장치용 가열 도체 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 내연기관용 배기 시스템을 위한 배기가스 가열 장치용 가열 도체에 관한 것이며, 상기 가열 도체는, 복수의 가열 도체 섹션(22, 84)을 포함하며, 적어도 하나의 가열 도체 섹션(82, 84) 내에, 바람직하게는 복수 또는 각각의 가열 도체 섹션(82, 84) 내에, 배기가스에 의해 관류될 수 있는 적어도 하나, 바람직하게는 복수의 관류 개구부(124)가 제공되어 있다.

Description

배기가스 가열 장치용 가열 도체{HEATING CONDUCTOR FOR AN EXHAUST GAS HEATING ARRANGEMENT}
본 발명은 내연기관용 배기 시스템을 위한 배기가스 가열 장치(exhaust gas heating arrangement)용 가열 도체(heating conductor)에 관한 것이다.
금속 평판 재료에서 분리하는 것을 통해 형성되는 가열 도체를 포함하는 배기가스 가열 장치는 후공개된 독일 특허 출원 DE 10 2020 123 376호로부터 공지되었다. 금속 평판 재료에서 분리하는 것을 통해 2개의 지지 부재(support element) 사이에서 지지되는 가열 도체를 제공함으로써, 예컨대 금속 평판 재료의 판 유형의 블랭크(plate-shaped blank)에서 상기 유형의 가열 도체를 절단(cutting) 또는 천공(punching)을 통해 떼어내는 것을 통해 상기 가열 도체를 제공함으로써, 거의 임의적이면서 비교적 복잡한 프로파일; 및 특히 또한 가변하는 횡단면 면적; 그리고 그에 따라 다양한 가열 도체 섹션들(heating conductor section)의 국소적으로 가변하는 저항;도 역시 보유하는 상기 유형의 가열 도체를 제공할 수 있으며, 그리고 그에 따라 배기 시스템의 배기가스 가이드 하우징 내에 존재하는 유동 조건에 상기 가열 도체를 매칭시킬 수 있다.
본 발명의 과제는, 내연기관의 배기 시스템을 위한 배기가스 가열 장치용 가열 도체로서, 관류하는 배기가스 상으로 열을 전달할 때 증가된 효율성을 보유하는 상기 가열 도체를 제공하는 것에 있다.
상기 과제는, 본 발명에 따라서, 내연기관용 배기 시스템을 위한 배기가스 가열 장치용 가열 도체에 있어서, 상기 가열 도체는 복수의 가열 도체 섹션을 포함하되, 적어도 하나의 가열 도체 섹션 내에, 바람직하게는 복수 또는 각각의 가열 도체 섹션 내에, 배기가스에 의해 관류될 수 있는 적어도 하나, 바람직하게는 복수의 관류 개구부(flow-through opening)가 제공되어 있는 것인, 상기 배기가스 가열 장치용 가열 도체를 통해 해결된다.
가열 도체의 가열 도체 섹션들 중 적어도 일부분 내에, 다시 말해 가열 도체의 가열 도체 섹션들 중 적어도 하나 내에 하나 또는 복수의 관류 개구부를 제공함으로써, 배기 시스템 내의 유동 조건에 미치는 실질적인 영향이 달성된다. 관류 개구부들을 기반으로, 배기가스의 관류 동안 상기 유형의 가열 도체를 통해 생성되는 배압은 관류 개구부를 포함하지 않으면서 거의 동일하게 치수 설계된 가열 도체의 경우에서보다 더 낮다. 가열 도체 자체는, 보다 더 적합하게, 그리고 상기 유형의 관류 개구부들에 따라서는 상대적으로 더 큰 표면 영역에서 배기가스에 의해 접촉 유동될 수 있으며, 그럼으로써 가열 도체를 접촉 유동하는 배기가스 상으로 증대된 열 전달이 달성될 수 있게 된다. 가열 모드 중에 가열 도체는 전류에 의해 관류되고 각각의 관류 개구부의 영역에서는 상기 유형의 관류 개구부의 양측에서 관류 개구부의 횡단면 기하구조에 따르는 전기 저항을 갖는 전류 흐름 경로들이 형성되기 때문에, 전류 흐름의 국소적 영향 내지 기설정(preset)을 통해 열 전달 거동은 내연기관의 배기 시스템 내 각각의 유동 조건들에 매칭되는 방식으로 제공될 수 있다.
효율적인 열 전달을 위해 바람직한, 전류가 관류하는 가열 도체의 긴 길이는, 가열 도체 섹션들 중 적어도 일부분이 가열 도체의 구조이면서 권선(winding) 유형으로 뻗어 있는 상기 구조를 제공하기 위해 상호 간에 이어지는 방식으로 배치되는 것을 통해 달성될 수 있다.
이를 위해, 예컨대 가열 도체 섹션들 중 적어도 일부분은 가열 도체의 구조이면서 적어도 일부 영역에서 곡류 유형으로 권선된 상기 구조를 형성할 수 있다. 함께 곡류형 구조를 형성하는 개별 가열 도체 섹션들은 그 자체로는 각각 실질적으로 직선으로 뻗어 있거나 만곡된 형태로 형성될 수 있다.
또한, 가열 도체의 비교적 긴 길이를 위해, 가열 도체 섹션들 중 적어도 일부분은 가열 도체의 구조이면서 적어도 일부 영역에서 나선형으로 권선되는 상기 구조를 형성할 수 있다. 가열 도체 섹션들은, 나선형으로 권선된 가열 도체의 상기 유형의 구조의 경우, 예컨대 각각 거의 360°의 각도에 걸쳐 뻗어 있는 권선 섹션들(winding section)을 통해 제공될 수 있다.
가열 도체의 개별 가열 도체 섹션들은 일반적으로 실제로 가열 도체 섹션 종방향의 방향으로 연장되어 있기 때문에, 각각의 관류 개구부의 큰 횡단면 면적을 위해, 적어도 하나의 관류 개구부, 바람직하게는 관류 개구부들 중 일부분, 또는 각각의 관류 개구부는 가열 도체 섹션 종방향으로 연장되어 있을 수 있다.
열 전달 표면이 큰 조건에서 그와 동시에 유동 유도(flow guide)에 추가로 영향을 미치기 위해, 적어도 하나의 관류 개구부에, 바람직하게는 관류 개구부들 중 일부분에, 또는 각각의 관류 개구부에 할당되는 방식으로, 가열 도체 상에 유동 가이드 부재(flow guide element)가 제공될 수 있다.
이를 위해, 적어도 하나의 관류 개구부, 바람직하게는 관류 개구부들 중 일부분, 또는 각각의 관류 개구부의 경우, 할당된 유동 가이드 부재는 관류 개구부의 종방향 단부 영역에서 출발하여 관류 개구부 종방향으로 적어도 일부 영역에서 관류 개구부를 넘어 연장될 수 있다.
매우 간단하면서도 비용 효과적으로 제조되고 작동 중에는 신뢰성 있게 작용하는 구조를 위해, 가열 도체는 실질적으로 판 유형으로 형성될 수 있고, 그리고/또는 금속 평판 재료, 예컨대 2.4869, 14765 또는 1.4725에서 분리하는 것을 통해 제공될 수 있다.
유동에 영향을 미치기 위해, 그리고 배기가스의 관류를 위해 각각의 관류 개구부를 개방하기 위해, 적어도 하나의 관류 개구부, 바람직하게는 관류 개구부들 중 일부분, 또는 각각의 관류 개구부의 경우, 할당된 유동 가이드 부재는 적어도 일부 영역에서 가열 도체에 상대적으로 오프셋될 수 있다.
매우 간단하면서도 비용 효과적으로 제조되고 작동 중에는 신뢰성 있게 작용하는 구조를 위해, 가열 도체는 실질적으로 판 유형으로 형성될 수 있고, 그리고/또는 금속 평판 재료에서 분리하는 것을 통해 제공될 수 있다.
또한, 본 발명은 하기 단계들을 포함하여 내연기관용 배기 시스템을 위한 배기가스 가열 장치용 가열 도체를 제조하기 위한 제조 방법에도 관한 것이다.
a) 금속 평판 재료 블랭크를 제공하는 제공 단계,
b) 복수의 가열 도체 섹션을 포함한 금속 평판 재료 블랭크에서 적어도 하나의 가열 도체를 분리하는 분리 단계, 및
c) 적어도 하나의 가열 도체의 적어도 하나의 가열 도체 섹션 내에 적어도 하나의 관류 개구부, 바람직하게는 복수의 관류 개구부를 제공하는 제공 단계.
이 경우, 단계 b) 동안, 매우 간단한 방식으로, 적어도 하나의 가열 도체, 바람직하게는 각각의 가열 도체는 금속 평판 재료 블랭크에서 천공 또는 절단을 통해 떼어냄으로써, 예컨대 레이저빔 절단 또는 워터젯 절단을 통해 분리될 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 신속하면서도 그럼에도 정밀한 수행을 위해, 적어도 하나의 가열 도체, 바람직하게는 각각의 가열 도체에 할당되는 방식으로, 적어도 하나의 관류 개구부, 바람직하게는 관류 개구부들 중 일부분, 또는 모든 관류 개구부를 제공하기 위해, 단계 c)는 단계 b)의 수행 동안 수행될 수 있다. 이 경우, 예컨대 하나 또는 복수의 가열 도체가 금속 평판 재료 블랭크에서 천공을 통해 떼어냄으로써 제조된다면, 하나 또는 복수의 관류 개구부의 제조를 위한 단계 역시도 천공으로 떼어내는 것을 통해 수행될 수 있다. 단계 b) 및 c)의 동시 수행 동안 가열 도체가 천공으로 떼어내는 것을 통해 제조된다면, 동일한 가공 조치에 의해 하나 또는 복수의 관류 개구부도 역시 제조될 수 있다.
특히, 단계 b) 동안 매우 미세하게 구조화된 가열 도체 섹션들을 포함한 가열 도체가 제공되어야 하고, 그리고/또는 단계 c) 동안 각각의 가열 도체 섹션들 내에 매우 미세한 구조를 갖는 하나 또는 복수의 관류 개구부가 제공되어야 한다면, 적어도 하나의 가열 도체, 바람직하게는 각각의 가열 도체에 할당되는 방식으로, 적어도 하나의 관류 개구부, 바람직하게는 관류 개구부들 중 일부분, 또는 모든 관류 개구부를 제공하기 위해, 단계 c)는 단계 b)의 수행 전에 수행될 수 있다. 그러므로 상기 유형의 관류 개구부들은 비교적 안정된 금속 평판 재료 블랭크 내에서 제조되고, 그런 후에 가열 도체 또는 가열 도체들이 이미 그곳에 존재하는 관류 개구부들을 포함한 금속 평판 재료 블랭크에서 분리된다. 그러므로 이런 접근법은, 금속 평판 재료 블랭크에서 가열 도체들을 분리한 이후 실질적으로 개별화된 가열 도체들 상에 관류 개구부들을 제조하기 위한 추가 가공 단계들이 수행되지 않아도 되기 때문에 매우 바람직하다.
또 다른 접근법의 경우, 적어도 하나의 가열 도체, 바람직하게는 각각의 가열 도체에 할당되는 방식으로, 적어도 하나의 관류 개구부, 바람직하게는 복수 또는 모든 관류 개구부를 제공하기 위해, 단계 c)는 단계 b)의 수행 이후 수행될 수 있다.
특히, 단계들 b) 및 c)가 동시에 수행되지 않는다면, 적어도 하나의 가열 도체, 바람직하게는 각각의 가열 도체에 할당되는 방식으로, 적어도 하나의 관류 개구부, 바람직하게는 관류 개구부들 중 일부분, 또는 각각의 관류 개구부를 제공하기 위해, 단계들 b) 및 c)는 서로 상이한 가공 조치들에 의해 수행될 수 있다. 이는, 상기 단계들 각각에 대해 이를 위해 최적인 가공 조치를 고려하도록 허용한다.
적어도 하나의 가열 도체, 바람직하게는 각각의 가열 도체에 할당되는 방식으로, 단계 c) 동안, 적어도 하나의 관류 개구부, 바람직하게는 관류 개구부들 중 일부분, 또는 모든 관류 개구부에 할당되어 하나의 유동 가이드 부재가 형성될 수 있다.
또한, 본 발명은 내연기관을 위한 배기 시스템용 배기가스 가열 장치에도 관한 것이며, 상기 배기가스 가열 장치는, 하나의 지지 어셈블리; 및 배기가스 주 유동 방향으로 연속되고 지지 어셈블리를 통해 배기가스 가이드 하우징 상에서 지지되며 본 발명에 따라 구성되는, 바람직하게는 본 발명에 따른 방법에 의해 제조되는 적어도 하나, 바람직하게는 복수의 가열 도체;를 포함한다.
또한, 본 발명은 본 발명에 따라 구성되는 적어도 하나의 배기가스 가열 장치를 포함하는 내연기관용 배기 시스템에도 관한 것이다.
본 발명은 하기에서 첨부한 도면들을 참조하여 상세하게 기술된다.
도 1은 배기가스 가이드 하우징 내 배기가스 히터를 도시한 사시도이다.
도 2는 배기가스 가이드 하우징 내로 삽입된 배기가스 히터를 도시한 부분 종단면도이다.
도 3은 도 1의 배기가스 히터의 가열 도체 어셈블리의 가열 도체를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따라 구성된 가열 도체의 일부분을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명에 따라 구성된 또 다른 가열 도체의 일부분을 도시한 도면이다.
도 6은 도 5의 가열 도체를 도 5에서의 시선 방향(VI)에서 보고 도시한 측면도이다.
도 7은 자체에서 분리될 가열 도체들을 포함한 금속 평판 재료 블랭크를 도시한 도면이다.
도 1 ~ 3에는, 예컨대 관형이면서 적어도 일부 섹션에서는 배기가스 히터 중심축(A)의 방향으로 연장되는 배기가스 가이드 하우징(10) 내로 삽입되는 배기가스 히터(12)를 포함하는, 내연기관의 배기 시스템(122) 내 배기가스 가열 장치(120)의 구성 유형이 도시되어 있다. 배기가스 히터(12)는, 전반적으로 도면부호 14로 표시되어 있으면서 지지 어셈블리(16)를 통해 배기가스 가이드 하우징(10) 상에서 지지되는 가열 도체 어셈블리를 포함한다.
지지 어셈블리(16)는, 디스크 유형이면서 예컨대 박판 재료로 성형되어 구조가 서로 동일한 2개의 지지 부재(18, 20)를 포함한다. 지지 부재들(18, 20)은, 배기가스 히터 중심축(A)에 대해 실질적으로 횡방향으로 뻗어 있는 하나의 중앙 영역(22)과, 중앙 영역(22)에서부터 반경 방향의 바깥쪽으로 향하는 방향으로 뻗어 있는 복수의 지지 아암(24, 26, 28, 30, 32, 34)(support arm)을 포함하여 구성된다. 지지 부재들(18, 20)의 외주연 영역에는 전반적으로 도면부호 38로 표시되는 고정 영역이 형성되며, 이런 고정 영역에 의해서는 지지 부재들(18, 20) 및 그에 따른 배기가스 히터(12) 전체가 배기가스 가이드 하우징(10)의 내부 표면 상에 예컨대 용접을 통해 고정될 수 있다. 상기 고정 영역(38)에서는, 두 지지 부재(18, 20)가 축 방향으로 만곡된다.
지지 아암들(24, 26, 28, 30, 32, 34) 각각의 영역에서, 고정 영역(38)은 각각의 고정 섹션(40, 42, 44, 46, 48, 50)을 포함한다. 하나의 지지 아암(24, 26, 28, 30, 32, 34)의 각각 하나의 반경 방향의 바깥쪽 단부 영역을 형성하는 2개의 고정 섹션(40, 42, 44, 46, 48, 50) 사이에는 2개의 인접한 지지 아암의 고정 섹션들을 서로 연결하는 각각 하나의 고정 테두리부(54, 56, 58, 60, 62, 64)가 형성되며, 그럼으로써 고정 섹션들(40, 42, 44, 46, 48, 50)은, 자신들 사이에서 뻗어 있으면서 인접한 지지 아암들(24, 26, 28, 30, 32, 34)을 서로 연결하는 고정 테두리부들(54, 56, 58, 60, 62, 64)과 함께, 원주방향으로 실질적으로 연속적인 고정 영역(38)의 구조를 제공하게 된다.
지지 아암들(24, 26, 28, 30, 32, 34) 및 고정 영역(38)의 형상을 통해, 배기가스 히터(12)를 관류하는 배기가스를 위한 목표되는 유동 유도가 달성된다. 특히, 지지 아암들(24, 26, 28, 30, 32, 34)을 통해 직접적인 유동으로부터 보호되어야 하는 영역들이 덮일 수 있다. 이는 예컨대 센서들이 예컨대 온도 검출을 위해, 또는 배기가스 조성의 검출을 위해 배치되어 있는 영역들일 수 있다. 실질적으로 환형으로 연속되는 고정 영역(38)을 통해, 배기가스 히터(12)를 포함하는 배기가스 가이드 하우징(10)의 비교적 저온인 내부 표면을 직접적으로 따르는, 반경 방향의 바깥쪽 영역에서의 유동은 방지된다.
도 3에는, 가열 도체 어셈블리(14)의 2개의 가열 도체(66, 68)이면서 유동 방향으로 연속되는 상기 2개의 가열 도체 중 상류의 제1 가열 도체(66)가 도시되어 있다. 기본적으로 전기 절연성 재료로 둘러싸이지 않는 두 가열 도체(66, 68) 각각은 금속 평판 재료 블랭크에서 분리함으로써, 예컨대 레이저 절단 또는 워터젯 절단과 같은 천공 또는 절단을 통해 떼어냄으로써 제공되며, 그리고 배기가스 가이드 하우징(10)의 내주연 윤곽에 매칭되고 도시된 구현예에서는 플랫 원형(flattened circle)인 외주연 윤곽을 보유한다. 두 가열 도체(66, 68) 각각은 원주방향으로 연속되는 복수의 곡류형 권선 필드(70, 72, 74, 76, 78, 80)를 포함하여 구성되며, 곡류형 권선 필드들(70, 72, 74, 76, 78, 80) 각각 내에는 상호 간에 상대적으로 실질적으로 반경 방향으로 계단식으로 배치되는 가열 도체 섹션들(82, 84, 86, 88, 90)을 제공하는 곡류형 권선 섹션들이 제공되며, 이들 곡류형 권선 섹션은 거의 원주방향으로 뻗어 있는 방식으로 형성된다. 곡류형 권선 섹션들 또는 가열 도체 섹션들(84, 86, 88, 90)은 자체 원주방향 단부 영역들 중 일측 원주방향 단부 영역에서 각각 계속 반경 방향의 바깥쪽에 포지셔닝된 곡류형 권선 섹션 또는 가열 도체 섹션(84, 86, 88, 90)과 연결된다. 곡류형 권선 섹션들 또는 가열 도체 섹션들(82, 84, 86, 88)은 자체의 타측 원주방향 단부 영역에서는 각각 계속 반경 방향의 안쪽에 위치하는 곡류형 권선 섹션 또는 가열 도체 섹션(84, 86)과 연결된다. 곡류형 권선 필드들(72, 74, 76, 78)의 각각의 반경 방향의 바깥쪽 곡류형 권선 섹션들 또는 가열 도체 섹션들(82)은 서로 직접적으로 인접한 곡류형 권선 필드들을 서로 연결한다. 동일한 방식으로, 곡류형 권선 필드들(70, 72, 74, 76, 78, 80)의 반경 방향의 안쪽 곡류형 권선 섹션들 또는 가열 도체 섹션들(9)은 서로 직접적으로 인접한 곡류형 권선 필드들을 연결하며, 그럼으로써 전체적으로 곡류형 권선 필드들(70, 72, 74, 76, 78, 80)의 하나의 직렬 전기 회로가 획득되게 된다.
비록 평판 재료에서의 분리를 통한 상기 유형의 가열 도체들(66, 68)의 제조는, 매우 간단하면서도 경제적으로 수행될 수 있는 유형 및 방식으로, 자신들의 곡류형 권선 섹션들 또는 가열 도체 섹션들의 비교적 복잡한 구조를 갖는 가열 도체들(66, 68)을 제공할 수 있는 가능성을 제공하기는 하지만, 기본적으로 예컨대 상기 유형의 가열 도체들(66, 68)의 획득을 위해 예컨대 금속 사출 성형 또는 소결과 같은 다른 제조 방법들 역시도 가능하다.
제1 가열 도체(66)의 곡류형 권선 필드들(70, 80)의 반경 방향의 바깥쪽 곡류형 권선 섹션들 또는 가열 도체 섹션들(82)은 상류의 제1 가열 도체(66)의 제1 접속 영역(92) 및 제2 접속 영역(94)을 각각 제공한다. 동일한 방식으로, 제2 가열 도체(68)의 동일한 곡류형 권선 필드들의 반경 방향의 바깥쪽 곡류형 권선 섹션들 또는 가열 도체 섹션들은 제2 가열 도체(68)의 제1 접속 영역 및 제2 접속 영역을 제공한다. 가열 도체들(66, 68)은 자체의 제1 접속 영역들을 이용하여 각각 하나의 전압원 접속 영역을 제공하며, 이런 전압원 접속 영역에 의해 가열 도체들은 예컨대 배기가스 가이드 하우징(10)을 통해 전기 절연될 수 있고 기밀하게 관통하는 접속 부재들(100, 102)은 전압원에 접속될 수 있다. 두 가열 도체(66, 68)는 자체의 제2 접속 영역들을 이용하여 연결-접속 영역들을 제공하며, 이들 연결-접속 영역 내에서 두 가열 도체(66, 68)는 예컨대 리벳 볼트(rivet bolt) 또는 용접 등을 통해 서로 전기 전도 방식으로 연결되며, 그럼으로써 본 구현예에서 두 가열 도체의 직렬 전기 회로가 형성되게 된다. 접속 영역들의 영역에서는 가열 도체들(66, 68) 또는 각각 반경 방향의 바깥쪽에 위치하는 곡류형 권선 섹션들 또는 가열 도체 섹션들(82)은, 배기가스가 유동하지 못하도록 차폐된 상기 영역들에서 국소적으로 더 낮은 전기 저항을 기반으로, 자유롭게 유동될 수 있는 영역들에 비해 열의 발생을 줄이기 위해, 비교적 큰 폭을 보유한다.
대안의 구성의 경우, 가열 도체들(66, 68) 각각의 경우, 제2 접속 영역들 역시도 전압원 접속 영역들을 제공할 수 있으며, 그럼으로써 예컨대 두 가열 도체(66, 68)의 두 제1 접속 영역은 접속 부재(100)와 연결될 수 있고 이 접속 부재를 매개로 전압원과 연결될 수 있는 반면, 두 가열 도체(66, 68)의 제2 접속 영역들은 상호 간에 연결될 수 있고 접속 부재(102)를 매개로는 전압원과 연결될 수 있으며, 그럼으로써 가열 도체들(66, 68)의 병렬 전기 회로가 형성되게 된다. 특히, 두 가열 도체(66, 68)의 병렬 회로를 선택할 경우, 가열 도체들(66, 68)이 상이한 배기가스 온도에 노출되고 그렇게 하여 가열 도체들(66, 68)의 국소적으로 상이한 전기 저항들이 발생한다면, 가열 도체들(66,68)의 자기 조절(self-regulation)이 획득된다.
배기가스 히터 중심축(A)의 방향으로, 그리고 그에 따른 배기가스 주 유동 방향의 방향으로 연이어 위치하는 가열 도체들(66, 68)을 통해, 구조 크기가 축 방향으로 콤팩트한 조건에서, 가열할 배기가스와의 열적 상호작용을 위한 비교적 큰 표면이 달성된다. 이 경우, 계속 하류에 포지셔닝된 제2 가열 도체(68)가 계속 상류에 포지셔닝된 제1 가열 도체(66)의 유동 섀도우(flow shadow) 내에 완전하게 포지셔닝되지 않는 점을 보장하기 위해, 두 가열 도체(66, 68)는 개별 곡류형 권선 섹션들 또는 가열 도체 섹션들(82, 84, 86, 88)의 상호 간에 동일하지 않은 구조들 또는 프로파일들을 보유한다. 개별 곡류형 권선 필드들(70, 72, 74, 76, 78, 80) 내에서 특히 두 가열 도체(66, 68)의 곡류형 권선 섹션들 또는 가열 도체 섹션들(84, 86, 88)은 완전하게 서로 합동이 되게 위치하는 것이 아니라, 반경 방향으로 상호 간에 오프셋되며, 그럼으로써 계속 하류에 포지셔닝된 제2 가열 도체(68)는 적어도 일부 영역에서 배기가스 주 유동 방향(H)에 대해 횡방향으로 계속 상류에 포지셔닝된 제1 가열 도체(66)보다 더 돌출되게 된다. 따라서, 두 가열 도체(66, 68) 중 어느 하나를 통해 덮여 있지 않은 횡단면 영역은 존재하지 않게 되며, 그럼으로써 두 가열 도체(66, 68)를 관류할 때 발생하는 와류 또는 난류를 고려할 때에도 배기가스 흐름의 매우 효율적이고 균일한 가열이 달성되게 된다. 고정 영역(38)에 의해 반경 방향으로 일부 영역에서 파지되는 반경 방향의 바깥쪽 곡류형 권선 섹션들 또는 가열 도체 섹션들은 상호 간에 실질적으로 합동이 될 수 있다. 또한, 두 가열 도체(66, 68)의 반경 방향의 안쪽 곡류형 권선 섹션들 역시도 상호 간에 합동이 되게 위치할 수 있다.
지지 어셈블리(16) 또는 이 지지 어셈블리의 지지 부재들(18, 20) 상에서의 견고한 결합을 위해, 복수의 고정 영역(106)에서는, 지지 부재들(18, 20), 및 이 지지 부재들(18, 20)과 가열 도체들(66, 68) 사이뿐만 아니라 가열 도체들(66, 68) 사이에도 포지셔닝되는 절연 부재들(108)을 관통하는 고정 볼트들(110)을 통해 견고한 복합 구조가 달성될 수 있다.
여기서 주지되는 사항은, 앞에서 도 1 ~ 3을 참조하여, 하기에서 도 4 ~ 6을 참조하여 기술되는 구성을 갖는 하나 또는 복수의 가열 도체가 사용될 수 있는 것인 배기가스 가열 장치(120)의 기본적인 구성이 기술되었다. 상기 유형의 배기가스 가열 장치의 전체 구조는 모든 유형의 구성 양태에서 앞에서 도 1 ~ 3을 참조하여 기술한 구성과 다를 수 있다. 예컨대 단지 단일의 가열 도체만이 지지 어셈블리를 통해 배기가스 가이드 하우징 상에 지지될 수 있거나, 또는 예컨대 서로 상이하게 형성되는 2개보다 더 많은 가열 도체가 배기가스 가이드 하우징 상에서 또는 그 내에서 지지될 수 있다. 또한, 각각의 가열 도체의 전반적으로 권선된 구조를 제공하는 가열 도체 섹션들은, 복수의 곡류형 권선 필드를 포함하는 앞에서 상세하게 기술한, 예컨대 곡류형인 구조와 다른 구조를 보유할 수 있다. 이렇게, 예컨대 복수의 가열 도체 섹션이 각각의 곡류형 권선 섹션으로서 실질적으로 직선으로 뻗어 있으면서 평행하게 서로 나란히 연장되는 방식으로 배치될 수 있으며, 그리고 이런 유형 및 방식으로 전체 유동 횡단면을 고려할 수 있다. 또한, 가열 도체 섹션들은 나선 구조(spiral structure)의 권선 섹션들이면서 서로 권선 유형으로 에워싸는 상기 권선 섹션들을 통해 제공될 수 있다.
도 4에는, 가열 도체, 예컨대 배기가스 가열 장치(120)의 앞에서 기술한 가열 도체(66)의 일부분이 도시되어 있다. 여기서 주지되는 사항은, 동일하거나 유사한 유형 및 방식으로 상기 유형의 배기가스 가열 장치의 가열 도체(68) 또는 가능할 수도 있는 단일의 가열 도체 역시도 형성될 수 있다는 점이다.
도 4에서는, 일반적으로, 동일한 방식으로 가열 도체(66)의 곡류형 권선 섹션들을 형성할 수 있으며 여기서는 부분적으로, 또는 일부 섹션으로 도시된 두 가열 도체 섹션(82, 84) 내에서, 상기 가열 도체 섹션들(82, 84) 내에 가열 도체 섹션 종방향(H)으로 연속해서 배치되는 복수의 관류 개구부(124)가 제공되어 있는 점이 확인된다. 관류 개구부들(124) 각각은 실질적으로 국소적으로 각각 존재하는 가열 도체 섹션 종방향(H)에도 상응하는 관류 개구부 종방향(D)으로 연장될 수 있다.
상기 유형의 관류 개구부들(124)을 제공하는 것을 통해, 다양한 장점들이 달성된다. 한편으로, 배기 시스템 내에서 상기 유형의 가열 도체를 통해 개시되는 막힘(plugging)은 제한되거나, 또는 상기 유형의 관류 개구부들을 포함하지 않은 구성에 비해 감소된다. 다른 한편으로, 각각의 가열 도체 섹션의 구성 재료의 표면 영역들이면서 관류 개구부들(124)을 한정하는 상기 표면 영역들을 통해, 열이 상기 유형의 가열 도체(66)를 접촉 유동하는 배기가스 상으로 전달될 수 있는 곳인 확대된 표면이 제공된다. 가열 도체(66)의 구성 재료의 두께에 비해 개구부 횡단면 면적이 작아지면 작아질수록, 각각의 가열 도체(82, 84)의 정면 또는 배면 상에 관류 개구부들(124)을 형성하는 것을 통해 소실되는 표면에 비해 추가로 획득되는 상기 열 전달 면적은 그만큼 더 커진다.
관류 개구부들(124)은, 예컨대 가열 도체(66)가 예컨대 도 7에 도시된 금속 평판 재료 블랭크(140)에서 천공을 통해 떼어냄으로써 제조될 때, 제조될 수 있다. 다시 말해, 가열 도체(66)의 윤곽을 천공할 뿐만 아니라 개구부들(124) 역시도 만드는 천공 금형(punching die)이 사용될 수 있다. 절단, 예컨대 레이저빔 절단 또는 워터젯 절단을 통해 가열 도체(66)를 분리할 때에도, 금속 평판 재료 블랭크에서 가열 도체(66)를 분리하는 것과 동시에 개구부들(124)이 형성될 수 있다.
특히, 개구부들(124)이 특히 금줄 세공 구조(filigree structure)를 가지거나, 또는 각각의 가열 도체 섹션(82, 84) 내에서 개구부들의 양쪽에 잔존하는 웨브들(134, 136)(web)이 비교적 협폭이라면, 가열 도체(66) 자체의 분리 공정과 관류 개구부들(124)의 제조 공정을 서로 분리하는 것이 바람직할 수 있다. 예컨대 판 유형의 금속 평판 재료 블랭크(140) 상에서, 우선, 추후 각각의 가열 도체들 또는 가열 도체 섹션들이 제조되는 곳에 하나의 가공 공정에서 하나의 관류 개구부(124) 또는 복수의 관류 개구부(124)가 제조될 수 있으며, 보다 더 정확하게 말하면 각각의 관류 개구부(124)의 제조할 구조를 고려할 때 매우 적합한 하나의 가공 조치에 의해 제조될 수 있다. 예컨대 상기 분리 단계는 레이저빔 절단 등을 통해 수행될 수 있다. 관류 개구부들(124)이 제조되었다면, 그에 후속하여 하나의 추가 가공 공정에서 가열 도체(들)(66)가 금속 평판 재료 블랭크(140)에서, 예컨대 다른 가공 조치, 예컨대 천공을 통해 분리될 수 있다. 그 다음 재가공 공정은 더 이상 요구되지 않는다. 자명한 사실로서, 상기 추가 가공 공정은 동일한 가공 조치가 이용되는 조건에서, 다시 말해 예컨대 레이저빔 절단을 통해서도 수행될 수 있다.
그 대안으로, 이후 후속 가공 공정에서 이미 블랭크에서 자체 기본 구조를 포함하여 분리된 가열 도체(66)의 여러 가열 도체 섹션 내에 하나 또는 복수의 관류 개구부(124)를 제조하기 위해, 우선 금속 평판 재료 블랭크(140)에서 개별 가열 도체들(66)이 분리될 수 있다. 여기서도, 다양한 가공 공정들의 경우, 서로 구분될 수 있지만, 기본적으로 상호 간에 동일할 수도 있으면서 이를 위해 각각 매우 적합한 가공 조치들이 고려될 수 있다. 기본적으로, 개별 가열 도체 섹션들 또는 제조할 관류 개구부들의 구조가 고려되면서, 블랭크에서 가열 도체들을 분리하기 전에 관류 개구부들 중 일부분을 제조할 수도 있고, 분리 후에는 관류 개구부들 중 추가 부분을 제조하고 상기 가공 공정들을 위해 각각 서로 구분될 수 있지만 기본적으로 동일할 수도 있는 최적의 가공 조치들을 사용할 수도 있다.
여기서 주지되는 사항은, 도 4에 일부 섹션으로 도시된 가열 도체(66)의 경우, 가열 도체 섹션(82) 또는 가열 도체 섹션(84)의 단부 영역들 상에 고정 구조들(126)이 제공되고, 이들 고정 구조의 영역에는 도 2에 도시된 절연 부재들(108) 및 고정 볼트들(110)이 이용되면서 가열 도체(66) 또는 복수의 상기 유형의 가열 도체가 연속해서 지지 부재들(18, 20) 상에 고정될 수 있다는 점이다. 이런 구조들(126)은, 여러 고정 영역(106)에 할당되는, 도시된 가열 도체(66)의 영역들에서 도 3에서 확인할 수 있고 동일한 목적을 위해 이용되는 개구부들(110)을 대체한다.
본 발명에 따라 구성된 가열 도체(66)의 대안의 구성은 도 5에 도시되어 있다. 여기서는 일반적으로, 가열 도체 섹션(82) 내에서 확인할 수 있는 관류 개구부들(124)이 예컨대 실질적으로 U자형인 절개부(128)(incision)가 형성되는 것을 통해 형성되는 점이 확인된다. 상기 유형의 U자형 절개부(128)를 형성하는 것을 통해, 가열 도체 섹션 종방향(H) 또는 각각의 관류 개구부 종방향(D)으로 연장되고 통합된 구성요소로서 가열 도체(66) 또는 가열 도체 섹션(82) 상에 결합되는 설부(tongue) 유형의 유동 가이드 부재(13)가 형성된다. 상기 유동 가이드 부재는 도 6에서 확인할 수 있으면서 가열 도체(66)를 통과하여 펼쳐진 평면(E)에서부터 예컨대 하류의 방향으로 만곡될 수 있으며, 그럼으로써 가열 도체 자체 쪽으로, 또는 평면(E) 쪽으로 일부 영역에서 오프셋된 상기 유형의 설부 유형의 유동 가이드 부재(130)를 통해, 상기 유형의 가열 도체(66)의 영역에서의 유동 유도에 대한 정의된 영향이 제공될 수 있게 된다.
또한, 할당된 관류 개구부(124) 상의 각각의 종방향 단부 영역(132)의 영역에서 가열 도체(66) 상에 각각의 유동 가이드 부재의 도 5에서 확인할 수 있는 결합에 대한 대안으로, 결합은 할당된 관류 개구부(124)의 종방향 테두리부를 따라서도 수행될 수도 있고 각각의 유동 가이드 부재(130)는 관류 개구부 종방향(D)에 대해 실질적으로 평행하게 연장되는 굽힘 선(bending line)을 중심으로 굽히는 것을 통해 평면(E)에서부터 만곡될 수도 있으며, 그럼으로써 상기 유동 가이드 부재는 일부 영역에서 상기 평면(E)에 대해, 또는 가열 도체(66)에 대해 배기가스 히터 중심축(A)의 방향으로 오프셋된 방식으로, 또는 상기 배기가스 히터 중심축에 대해 경사진 방식으로 배치되게 된다.
여기서 주지되는 사항은, 상기 유형의 관류 개구부들(124)이 가열 도체(66) 상에서 모든 가열 도체 섹션 내에, 다시 말해 도 4 ~ 6에 미도시된 가열 도체 섹션들 내에도 예컨대 상호 간에 동일한 분포 내지 동일한 이격 간격으로, 그리고 연속해서 배치될 수 있다는 점이다. 그 대안으로, 달성할 유동 조건들에 따라서, 또는 배기 시스템 내에 존재하는 유동 조건들에 매칭되는 방식으로, 개별 가열 도체 섹션들 내에서, 또는 개별 가열 도체 섹션들 사이에서 관류 개구부들(124)의 밀도가 가변될 수 있다. 또한, 관류 개구부들이 그 내에 제공되어 있지 않은 가열 도체 섹션들 역시도 존재할 수 있다. 또한, 관류 개구부들(124)은 다른 횡단면 기하구조, 예컨대 원형의 횡단면 기하구조를 보유할 수 있으며, 그리고 예컨대 가열 도체 섹션 종방향(H)과 관련하여 구부려져 포지셔닝될 수 있다.
가열 도체(66) 내에 제공되는 관류 개구부들(124)을 통해서는, 배기가스 유동에 영향을 미칠 뿐만 아니라, 가열 도체(66)를 통과하는 전류 흐름에도 역시 영향을 준다. 상기 전류 흐름은 관류 개구부들(124)의 영역에서 각각의 관류 개구부(124)를 측면에서 한정하는 두 웨브(134, 136) 상으로 분배된다. 상기 웨브들(134, 136)의 폭 또는 횡단면 면적에 따라서, 상기 웨브들은 경우에 따라 동일하거나, 또는 구별되는 전기 저항을 보유하며, 그럼으로써 상기 웨브들(134, 136)의 상응하는 치수 설계를 통해, 각각의 전기 저항으로 인해 상기 웨브들 내에서 발생하는 열 및 그에 따른 배기가스 내로 전달되는 에너지 역시도 영향을 받을 수 있게 된다.
여기서 추가로 주지되는 사항은, 자명한 사실로서, 상기 유형의 관류 개구부들은 기본적으로 다른 방식으로 구조화되고 실질적으로 판 유형으로 구성된 가열 도체들에서도 사용될 수 있다는 점이다. 예컨대 상기 유형의 가열 도체는 나선형 구조를 보유할 수도 있되, 개별 가열 도체 섹션들은 예컨대 나선형 구조의 각각의 권선 섹션들을 통해 정의될 수 있다. 또한, 가열 도체 섹션들의 곡류형 프로파일의 경우, 상기 가열 도체 섹션들은 각각 실질적으로 직선으로 뻗어 있으면서 서로 나란하게 위치하는 방식으로 구성될 수 있으며, 각각의 배기가스 가이드 하우징의 횡단면 기하구조에 대한 상기와 같이 구성된 가열 도체의 외주연 구조의 매칭을 위해, 직선으로 뻗어 있는 상기 가열 도체 섹션들의 길이는 가변될 수 있다.

Claims (18)

  1. 내연기관용 배기 시스템을 위한 배기가스 가열 장치용 가열 도체로서, 복수의 가열 도체 섹션(22, 84)을 포함하는 상기 가열 도체에 있어서, 적어도 하나의 가열 도체 섹션(82, 84) 내에, 바람직하게는 복수 또는 각각의 가열 도체 섹션(82, 84) 내에, 배기가스에 의해 관류될 수 있는 적어도 하나, 바람직하게는 복수의 관류 개구부(124)가 제공되어 있는 것인, 배기가스 가열 장치용 가열 도체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가열 도체 섹션들(82, 84) 중 적어도 일부분은, 상기 가열 도체(66)의 구조이면서 권선 유형으로 뻗어 있는 상기 구조를 제공하기 위해 서로 이어지는 방식으로 배치되는 것을 특징으로 하는 배기가스 가열 장치용 가열 도체.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 가열 도체 섹션들(82, 84) 중 적어도 일부분은 상기 가열 도체(66)의 구조이면서 적어도 일부 영역에서 곡류 유형으로 권선된 상기 구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 배기가스 가열 장치용 가열 도체.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 가열 도체 섹션들 중 적어도 일부분은 상기 가열 도체의 구조이면서 적어도 일부 영역에서 나선형으로 권선되는 상기 구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 배기가스 가열 장치용 가열 도체.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 관류 개구부(124), 바람직하게는 관류 개구부들(124) 중 일부분, 또는 각각의 관류 개구부(124)는 가열 도체 섹션 종방향(H)으로 연장되는 것을 특징으로 하는 배기가스 가열 장치용 가열 도체.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 관류 개구부(124)에, 바람직하게는 관류 개구부들(124) 중 일부분에, 또는 각각의 관류 개구부(124)에 할당되는 방식으로, 가열 도체(66) 상에 유동 가이드 부재(130)가 제공되는 것을 특징으로 하는 배기가스 가열 장치용 가열 도체.
  7. 제6항에 있어서,
    적어도 하나의 관류 개구부(124), 바람직하게는 관류 개구부들(124) 중 일부분, 또는 각각의 관류 개구부(124)의 경우, 상기 할당된 유동 가이드 부재(130)는 상기 관류 개구부(124)의 종방향 단부 영역(132)에서 출발하여 관류 개구부 종방향(D)으로 적어도 일부 영역에서 상기 관류 개구부(124)를 넘어 연장되는 것을 특징으로 하는 배기가스 가열 장치용 가열 도체.
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    적어도 하나의 관류 개구부(124), 바람직하게는 관류 개구부들(124) 중 일부분, 또는 각각의 관류 개구부(124)의 경우, 상기 할당된 유동 가이드 부재(130)는 적어도 일부 영역에서 상기 가열 도체(66)에 상대적으로 오프셋되는 것을 특징으로 하는 배기가스 가열 장치용 가열 도체.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가열 도체(66)는 실질적으로 판 유형으로 형성되고, 그리고/또는 상기 가열 도체(66)는 금속 평판 재료(140)에서 분리하는 것을 통해 제공되는 것을 특징으로 하는 배기가스 가열 장치용 가열 도체.
  10. 내연기관용 배기 시스템(122)을 위한 배기가스 가열 장치(120)용 가열 도체(66)를 제조하기 위한 제조 방법으로서,
    a) 금속 평판 재료 블랭크(140)를 제공하는 제공 단계,
    b) 복수의 가열 도체 섹션(82, 84)을 포함한 금속 평판 재료 블랭크(140)에서 적어도 하나의 가열 도체(66)를 분리하는 분리 단계, 및
    c) 적어도 하나의 가열 도체(66)의 적어도 하나의 가열 도체 섹션(82, 84) 내에 적어도 하나의 관류 개구부(124), 바람직하게는 복수의 관류 개구부(124)를 제공하는 제공 단계를 포함하는 가열 도체 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 단계 b) 동안, 상기 적어도 하나의 가열 도체, 바람직하게는 각각의 가열 도체(66)는 상기 금속 평판 재료 블랭크(140)에서 천공 또는 절단을 통해 떼어냄으로써 분리되는 것을 특징으로 하는 가열 도체 제조 방법.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    적어도 하나의 가열 도체(66), 바람직하게는 각각의 가열 도체(66)에 할당되는 방식으로, 적어도 하나의 관류 개구부(124), 바람직하게는 관류 개구부들(124) 중 일부분, 또는 모든 관류 개구부(124)를 제공하기 위해, 상기 단계 c)는 상기 단계 b)의 수행 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 가열 도체 제조 방법.
  13. 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 가열 도체(66), 바람직하게는 각각의 가열 도체(66)에 할당되는 방식으로, 적어도 하나의 관류 개구부(124), 바람직하게는 관류 개구부들(124) 중 일부분, 또는 모든 관류 개구부(124)를 제공하기 위해, 상기 단계 c)는 상기 단계 b)의 수행 전에 수행되는 것을 특징으로 하는 가열 도체 제조 방법.
  14. 제10항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 가열 도체(66), 바람직하게는 각각의 가열 도체(66)에 할당되는 방식으로, 적어도 하나의 관류 개구부(124), 바람직하게는 복수 또는 모든 관류 개구부(124)를 제공하기 위해, 상기 단계 c)는 상기 단계 b)의 수행 이후 수행되는 것을 특징으로 하는 가열 도체 제조 방법.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서,
    적어도 하나의 가열 도체(66), 바람직하게는 각각의 가열 도체(66)에 할당되는 방식으로, 적어도 하나의 관류 개구부(124), 바람직하게는 관류 개구부들(124) 중 일부분, 또는 각각의 관류 개구부(124)를 제공하기 위해, 상기 단계들 b) 및 c)는 서로 상이한 가공 조치들에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 가열 도체 제조 방법.
  16. 제10항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 가열 도체(66), 바람직하게는 각각의 가열 도체(66)에 할당되는 방식으로, 상기 단계 c) 동안, 적어도 하나의 관류 개구부(124), 바람직하게는 관류 개구부들(124) 중 일부분, 또는 모든 관류 개구부(124)에 할당되어 하나의 유동 가이드 부재(130)가 형성되는 것을 특징으로 하는 가열 도체 제조 방법.
  17. 내연기관을 위한 배기 시스템용 배기가스 가열 장치로서,
    하나의 지지 어셈블리(16); 및 배기가스 주 유동 방향으로 연속되고 상기 지지 어셈블리(10)를 통해 배기가스 가이드 하우징(10) 상에서 지지되며 바람직하게는 제10항 내지 제16항 중 어느 한 항에 따르는 방법에 의해 제조되는 적어도 하나, 바람직하게는 복수의 가열 도체(66);를 포함하는 배기가스 가열 장치.
  18. 제17항에 따르는 적어도 하나의 배기가스 가열 장치(120)를 포함하는 내연기관용 배기 시스템.
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