DE102020210890A1

DE102020210890A1 - Stromdurchführung

Info

Publication number: DE102020210890A1
Application number: DE102020210890.0A
Authority: DE
Inventors: Peter Hirth; Stefan Ahlers; Thomas Nagel
Original assignee: Vitesco Technologies GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2020-08-28
Filing date: 2020-08-28
Publication date: 2022-03-03
Also published as: WO2022043009A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Stromdurchführung für einen elektrisch beheizbaren Katalysator, wobei der Katalysator zumindest einen elektrischen Leiter in seinem Inneren aufweist, welcher mittels der Stromdurchführung elektrisch kontaktierbar ist, mit einem Innenleiter, welcher aus dem Inneren des Katalysators durch dessen äußere Gehäusewandung geführt ist, mit einer elektrischen Isolationsschicht, und mit einer metallischen Hülse, in welcher der Innenleiter die und elektrische Isolationsschicht aufgenommen ist, wobei die elektrische Isolationsschicht durch eine Oxidation des Innenleiters ausgebildet ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung einer Stromdurchführung.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Stromdurchführung für einen elektrisch beheizbaren Katalysator, wobei der Katalysator zumindest einen elektrischen Leiter in seinem Inneren aufweist, welcher mittels der Stromdurchführung elektrisch kontaktierbar ist, mit einem Innenleiter, welcher aus dem Inneren des Katalysators durch dessen äußere Gehäusewandung geführt ist, mit einer elektrischen Isolationsschicht, und mit einer metallischen Hülse, in welcher der Innenleiter und die elektrische Isolationsschicht aufgenommen ist. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Erzeugung einer Stromdurchführung.
Stand der Technik
Im Stand der Technik sind elektrisch beheizbare Katalysatoren bekannt. Diese weisen in der Regel zumindest einen stromdurchflossenen Leiter auf, der über eine elektrische Kontaktierung mit einer Spannungsquelle verbunden ist. Da die Katalysatoren nach außen hin gasdicht ausgeführt sind gibt es spezielle elektrische Durchführungen, die durch den Außenmantel des Katalysators, welcher deren Gehäuse bilden kann, geführt werden und zwischen der Spannungsquelle und dem Heizleiter im Inneren eine elektrisch leitfähige Verbindung herstellen.
Die elektrische Durchführung weist dabei regelmäßig einen elektrischen Leiter auf, der in einem elektrisch nichtleitenden Material, beispielsweise einer Keramikhülse, eingebettet ist. Der nichtleitende Werkstoff kann wiederrum von einer Metallhülse umgeben sein, die mittels einer Fügetechnik dauerhaft und resistent gegen mechanische Belastungen mit dem metallischen Mantel des Katalysators verbunden werden kann. Die elektrische Durchführung, wie sie im Stand der Technik bekannt ist, weist somit regelmäßig einen zentralen Stromleiter, beispielsweise einen Bolzen, eine keramische Isolationshülse und eine metallische Außenhülse auf.
Nachteilig an den im Stand der Technik bekannten Stromdurchführungen ist insbesondere, dass aufgrund der stoffschlüssigen Verbindung zwischen dem stromführenden Bolzen, beziehungsweise dem Innenleiter, und den elektrisch zu kontaktierenden Bauelementen im Inneren des Katalysators, eine hohe thermische Belastung am äußeren Bereich der Stromdurchführung auftritt. Die thermische Belastung entsteht entweder durch Konvektion der Wärmeenergie des Abgases auf die Stromdurchführung oder durch das Beheizen des Heizleiters selbst, der in direkter stoffschlüssiger Verbindung mit der Stromdurchführung steht. Bei zu hohen thermischen Belastungen kann es insbesondere an dem Kontaktbereich der Stromdurchführung im äußeren Bereich zu Beschädigungen der Isolation der elektrischen Zuleitung oder dem Verbindungsmittel zwischen der Zuleitung und der Stromdurchführung kommen.
Insbesondere der Innenleiter der elektrischen Durchführungen, welche im Stand der Technik bekannt sind, kann zudem auch durch Elektrokorrosion beschädigt werden, wenn dieser mit Flüssigkeiten, wie beispielsweise Salzwasser, wässrigen Ammoniaklösungen oder anderen im Abgasstrang vorkommenden Flüssigkeiten in Kontakt kommt. Die bisher bekannten elektrischen Durchführungen weisen insbesondere keine Schutzmaßnahmen auf, die den Innenleiter vor Elektrokorrosion ausreichend schützen und gleichzeitig den hohen Anforderungen an die thermische Stabilität, die mechanische Stabilität und die Dauerhaltbarkeit insgesamt im Betrieb eines elektrisch beheizten Katalysators gerecht werden.
Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, Vorteile
Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Stromdurchführung zu schaffen, welche einen besonderen Schutz des Innenleiters gegen das Auftreten von Elektrokorrosion aufweist. Weiterhin ist es die Aufgabe ein Verfahren zu schaffen, mit welchem eine solche Stromdurchführung erzeugt werden kann.
Die Aufgabe hinsichtlich der Stromdurchführung wird durch eine Stromdurchführung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft eine Stromdurchführung für einen elektrisch beheizbaren Katalysator, wobei der Katalysator zumindest einen elektrischen Leiter in seinem Inneren aufweist, welcher mittels der Stromdurchführung elektrisch kontaktierbar ist, mit einem Innenleiter, welcher aus dem Inneren des Katalysators durch dessen äußere Gehäusewandung geführt ist, mit einer elektrischen Isolationsschicht, und mit einer metallischen Hülse, in welcher der Innenleiter und die elektrische Isolationsschicht aufgenommen ist, wobei die elektrische Isolationsschicht durch eine Oxidation des Innenleiters ausgebildet ist.
Die Stromdurchführung kann insgesamt zwei elektrische Leiter aufweisen. Diese sind zum einen durch den Innenleiter und zum anderen durch die metallische Hülse gebildet. Die metallische Hülse steht dabei beispielsweise elektrisch leitend mit dem Mantel des Katalysators in Verbindung. Der Innenleiter ist elektrisch leitend mit dem Heizleiter des Katalysators verbunden, welcher beispielsweise durch einen Wabenkörper gebildet ist. Ein beheizbarer Katalysator kann eine oder mehrere Stromdurchführungen aufweisen. Dadurch können auch mehrere Heizleiter im Katalysator kontaktiert werden. Auch kann es vorgesehen sein, dass der Heizleiter mit zwei Innenleitern unterschiedlicher Stromdurchführungen in elektrisch leitendem Kontakt steht und die Kontaktierung der Spannungsquelle über diese Innenleiter erfolgt. Die metallische Hülse weist in diesem Fall keinen elektrisch leitenden Kontakt mit der Spannungsquelle auf.
Die Isolationsschicht ist bevorzugt durch das Oxidieren des Materials des Innenleiters erzeugt, wobei insbesondere in den randnahen Schichten eine Gefügeumwandlung erzeugt wird und eine elektrisch isolierende Schicht erzeugt wird. Vorteilhaft ist hieran insbesondere, dass die Isolationsschicht besonders robust ist und dauerhaltbar mit dem Innenleiter verbunden ist. Darüber hinaus kann die Isolationsschicht besonders einfach an die Form des Innenleiters angepasst werden. Darüber hinaus kann auch die Länge entlang der axialen Richtung des Innenleiters auf einfach Weise beeinflusst werden.
Besonders bevorzugt ist die Isolationsschicht möglichst dicht, vorzugsweise vollständig dicht, beziehungsweise diffusionsdicht gegen Flüssigkeiten ausgebildet.
Die Isolationsschicht ist in der erfindungsgemäßen Ausführung somit kein zusätzliches Bauteil, welches mit dem Innenleiter und/oder der metallischen Hülse zusammengefügt werden muss, sondern vielmehr integraler Bestandteil des Innenleiters. Dies erhöht die Stabilität der Isolationsschicht und der gesamten Stromdurchführung insgesamt.
Darüber hinaus wird die Produktion vereinfacht, da kein zusätzlicher Fügeschritt zur Verbindung einer isolierenden Hülse mit dem Innenleiter vorgesehen werden muss. Auch ist das Risiko einer ungewollten Ablösung einer isolierenden Hülse vom Innenleiter vermieden.
Der Innenleiter ist gewöhnlich dadurch gekennzeichnet, dass er eine wesentlich längere Erstreckung entlang seiner axialen Richtung aufweist als beispielsweise quer zu dieser axialen Richtung. Die axiale Richtung des Innenleiters verläuft gewöhnlich von außen nach innen hin zum Zentrum des Katalysators.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Isolationsschicht sich entlang der gesamten axialen Länge des Innenleiters erstreckt und diesen in Umfangsrichtung vollständig umschließt. Durch eine möglichst lange Erstreckung der Isolationsschicht entlang der axialen Erstreckung des Innenleiters kann insbesondere ein ungewollter Kurzschluss zwischen der metallischen Hülse, sofern diese als zweiter elektrischer Leiter verwendet wird, und dem Innenleiter vermieden werden.
Auch das ungewollte Entstehen eines galvanischen Elementes zwischen dem Innenleiter und der metallischen Hülse kann so vermieden werden. Bei Vorhandensein eines ausreichend leitfähigen Fluids, wie beispielsweise Salzwasser oder einer wässrigen Ammoniaklösung, kann aufgrund des Potentialunterschieds der metallischen Hülse zum Innenleiter ein galvanisches Element entstehen, welches langfristig zumindest einen der beiden elektrischen Leiter schädigt. Insbesondere kann dadurch die Elektrokorrosion an der Stromdurchführung reduziert beziehungsweise gänzlich vermieden werden.
Auch ist es vorteilhaft, wenn die Isolationsschicht eine längere Erstreckung in axialer Richtung des Innenleiters aufweist als die metallische Hülse. Durch einen Überstand der Isolationsschicht über die metallische Hülse hinaus, insbesondere hin zum Zentrum des Katalysators, kann insbesondere das Entstehen von Kriechströmen zwischen der metallischen Hülse und dem Innenleiter vermieden werden. Auch kann ein Kurzschluss, beispielsweise durch Lichtbogenbildung, vermieden werden. Auch das entstehen eines galvanischen Elements kann so vermieden werden.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht in axialer Richtung des Innenleiters hin zum Inneren des Katalysators eine längere Erstreckung aufweist als die metallische Hülse, wobei der Überstand der Isolationsschicht in axialer Richtung über die metallische Hülse hinaus mindestens so groß ist, wie der Abstand in radialer Richtung zwischen der metallischen Hülse und dem Innenleiter.
Dies ist besonders vorteilhaft, um die Länge der Strecke, die ein Lichtbogen überbrücken müsste, möglichst groß zu halten. Der Abstand in radialer Richtung zwischen der metallischen Hülse und dem Innenleiter ist der Mindestabstand, den ein Lichtbogen überbrücken müsste. Durch einen längeren Überstand in axialer Richtung kann diese Strecke vergrößert werden, um so die Wahrscheinlichkeit eines Kurzschlusses weiter zu reduzieren. Ebenso wird die Strecke für Kriechströme entlang der elektrischen Leiter selbst oder entlang eines elektrisch leitfähigen Fluids verlängert.
Auch ist es zu bevorzugen, wenn der Innenleiter eine Randschicht mit einer erhöhten Konzentration des Elements aufweist, welches zur Ausbildung der durch Oxidation erzeugten Isolationsschicht notwendig ist. Durch das Oxidieren wird das Gefüge des Innenleiters an seiner Randschicht umgewandelt. Je höher die Materialkonzentration des Elements ist, welches zur Ausbildung der Oxidschicht benötigt wird, umso dicker kann diese als Isolationsschicht wirkende Oxidschicht ausgebildet werden. Bevorzugt kann beispielsweise durch das Feueraluminieren eine erhöhte Aluminiumkonzentration an der Randschicht erzeugt werden. Das dadurch erhöht vorkommende Aluminium kann bei dem anschließenden Oxidieren mit Sauerstoff zu Aluminiumoxid reagieren. Je mehr Aluminium an dieser Reaktion teilhaben kann, umso dicker kann die Isolationsschicht ausgebildet werden.
Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn der Innenleiter aus einem Grundmaterial gebildet ist, welches die Ausbildung einer durch Oxidation erzeugten Isolationsschicht begünstigt. Bevorzugt weist der Innenleiter Chrom (Cr)und/oder Aluminium (AI) auf. Mit diesen Elementen kann durch die Oxidation mit Luftsauerstoff Aluminiumoxid (Al₂O₃) oder Chromoxid (CrO) erzeugt werden.
Die Aufgabe hinsichtlich des Verfahrens wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 7 gelöst.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Stromdurchführung, wobei an dem Innenleiter mittels eines Beschichtungsverfahrens eine Randschicht mit einer erhöhten Materialkonzentration erzeugt wird, wobei in einem nachfolgenden Schritt eine Oxidation dieser Randschicht zu einer elektrisch isolierenden Schutzschicht durchgeführt wird.
Durch das Erzeugen einer höheren Materialkonzentration, beispielsweise von Aluminium oder Chrom, an der Randschicht des Innenleiters kann die Ausbildung der Oxidschicht durch das nachfolgende Oxidieren begünstigt werden. Insbesondere kann dadurch eine dickere Oxidschicht erzeugt werden, wodurch die elektrische Isolation verbessert wird.
Auch ist es zweckmäßig, wenn die Oxidation unter definierten Bedingungen durchgeführt wird, wobei einer oder mehrere der Parameter Temperatur, Druck und/oder Sauerstoffpartialdruck zeitabhängig verändert werden. Durch das Beeinflussen der vorgenannten Parameter kann die Ausbildung der Oxidschicht wirksam beeinflusst werden. Insbesondere kann durch den Sauerstoffpartialdruck die Menge des zur Oxidation zur Verfügung stehenden Sauerstoffs an der Randschicht des Innenleiters beeinflusst werden.
Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn die Randschicht am Innenleiter durch Feueraluminieren erzeugt wird. Hierdurch wird die Aluminiumkonzentration an der Randschicht erhöht, wodurch die Ausbildung einer Aluminiumoxidschicht verbessert werden kann.
Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Claims

Stromdurchführung für einen elektrisch beheizbaren Katalysator, wobei der Katalysator zumindest einen elektrischen Leiter in seinem Inneren aufweist, welcher mittels der Stromdurchführung elektrisch kontaktierbar ist, mit einem Innenleiter, welcher aus dem Inneren des Katalysators durch dessen äußere Gehäusewandung geführt ist, mit einer elektrischen Isolationsschicht, und mit einer metallischen Hülse, in welcher der Innenleiter die und elektrische Isolationsschicht aufgenommen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Isolationsschicht durch eine Oxidation des Innenleiters ausgebildet ist.
Stromdurchführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht sich entlang der gesamten axialen Länge des Innenleiters erstreckt und diesen in Umfangsrichtung vollständig umschließt.
Stromdurchführung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht eine längere Erstreckung in axialer Richtung des Innenleiters aufweist als die metallische Hülse.
Stromdurchführung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht in axialer Richtung des Innenleiters hin zum Inneren des Katalysators eine längere Erstreckung aufweist als die metallische Hülse, wobei der Überstand der Isolationsschicht in axialer Richtung über die metallische Hülse mindestens so groß ist, wie der Abstand in radialer Richtung zwischen der metallischen Hülse und dem Innenleiter.
Stromdurchführung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenleiter eine Randschicht mit einer erhöhten Konzentration des Elements aufweist, welches zur Ausbildung der durch Oxidation erzeugten Isolationsschicht notwendig ist.
Stromdurchführung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenleiter aus einem Grundmaterial gebildet ist, welches die Ausbildung einer durch Oxidation erzeugten Isolationsschicht begünstigt.
Verfahren zur Herstellung einer Stromdurchführung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Innenleiter mittels eines Beschichtungsverfahrens eine Randschicht mit einer erhöhten Materialkonzentration erzeugt wird, wobei in einem nachfolgenden Schritt eine Oxidation dieser Randschicht zu einer elektrisch isolierenden Schutzschicht durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidation unter definierten Bedingungen durchgeführt wird, wobei einer oder mehrere der Parameter Temperatur, Druck und/oder Sauerstoffpartialdruck zeitabhängig verändert werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Randschicht am Innenleiter durch Feueraluminieren erzeugt wird.