JP6978738B2 - 排気ガス後処理用の電気加熱式加熱ディスク - Google Patents

Description

本発明は、排気ガス流および／または排気ガス後処理用のコンポーネントを加熱するための加熱ディスクであって、上下に積層された滑らかで波形の複数の金属層から巻回されているハニカム体と、ハニカム体が収容されている支持体外被と、支持体外被を通って貫通案内され、ハニカム体を電源に接続可能にさせる電気的接触接続部と、を備えている加熱ディスクに関する。その他に、本発明は、加熱ディスクを製造するための方法に関する。

従来技術では、排気ガス後処理用のコンポーネントの付加的な加熱に使用される加熱ディスクが公知である。この加熱の目的は、排気ガス後処理に関する法的に定められた値を順守できるようにするために、排気ガスの後処理にとって好ましい温度領域に特により迅速に到達させることにある。

加熱ディスクは、この目的のために、残りの排気ガス後処理コンポーネントのハニカム体に類似して、例えば、適切な形態を有するディスクを得るために、１つのプロセスステップで巻回される滑らかで波形の金属層からなる層スタックから作成されている。

加熱は、オーム抵抗の使用のもとで、加熱ディスク内に電流を導入することによって行われている。

特に、従来技術で公知の装置における欠点は、導入された電流が十分な程度まで均一に分配されないことであり、この結果、加熱ディスクの加熱が不均一になる。不均一な加熱を回避するためにこれまでに使用されてきた手段は特に不利である。なぜなら、製造技術的な転換が困難であり、あるいは技術的に見て大きな手間と高いコストとが伴うからである。

それゆえ、本発明の課題は、最適化された電流導入を有し、ひいては加熱ディスクの均一な加熱を保証する、排気ガス後処理用のコンポーネントを加熱するための電気式の加熱ディスクを達成することである。さらに、本発明の課題は、本発明による加熱ディスクを製造するために使用することができる方法を達成することである。

加熱ディスクに関する課題は、請求項１の特徴を備えた加熱ディスクによって解決される。

本発明の一実施例は、排気ガス流および／または排気ガス後処理用のコンポーネントを加熱するための加熱ディスクであって、上下に積層された滑らかで波形の複数の金属層から巻回されているハニカム体と、ハニカム体が収容されている支持体外被と、支持体外被を通って貫通案内され、ハニカム体を電源に接続可能にさせる電気的接触接続部と、を備え、支持体外被によって取り囲まれた領域における電気的接触接続部が、支持体外被の周面方向に延在するコンタクトストリップを有しており、支持体外被とコンタクトストリップとの間に絶縁領域が形成されており、相互に電気的に絶縁され、それぞれが複数の滑らかな金属層と波形の金属層とから形成され、かつ相互に直接隣接して配置された複数の層スタックが、コンタクトストリップ（４，２０）に導電的に接続されている、加熱ディスクに関する。

そのような構造は、特に有利である。なぜなら、共通のコンタクトストリップを介して複数の層スタックに均一に電流を印加することができるからである。このコンタクトストリップは、ここでは特に、支持体外被を通って貫通案内された電気的接触接続部によって電源に接続することができる金属ストリップとして形成されている。

したがって、コンタクトストリップは、電流に関する導体路区間の一部である。それゆえ、好適には、コンタクトストリップは、支持体外被自体の電流通流を防止するために、支持体外被に対して電気的に絶縁されている。

特に好適には、コンタクトストリップは、同時に、相互に電気的に絶縁されている複数の層スタックと導電的に接触接続を形成する。なぜなら、それによって、複数の層スタック内への均一な電流導入が、支持体外被を通る唯１つの電気的な貫通部のみで達成可能なことが達成できるからである。理想的には、コンタクトストリップと加熱ディスクのすべての層スタックとの間で導電的な接続が生じる。

特に好適には、層スタックは、相互に電気的に絶縁されている。この層スタックの相互の電気的な絶縁は、電流が最小の電気抵抗の原理に従って層スタックを通る優先的な短縮された導通パスを探し、それに基づく局所的なホットスポットと、ひいては加熱ディスクを超えて拡がる不均一な温度分布の結果になることを防止する。特に大電流の場合、想定外のホットスポットの形成のもとで加熱ディスクの損傷にもつながり、ひいては加熱ディスクの故障に結び付く可能性がある。このことは、相互の電気的な絶縁によって回避すべきである。

電気的な絶縁の目的で、個々の層スタックの間に空隙を設けることができる。これに対して代替的に、例えばセラミック材料からなる絶縁層を設けることも可能である。

また、好適には、支持体外被は、周面方向に延在するコンタクトストリップのための収容部を形成する径方向外向きの***部を有している。

***部は、支持体外被によって取り囲まれた領域において、絶縁領域のための収容領域を、コンタクトストリップと支持体外被との間に生成するのに特に有利である。このことは、残りの支持体外被によって形成される断面内にコンタクトストリップを収容する必要がなくなるという利点につながり、これによって、動作中に無電流になる可能性のある活性加熱面が縮小し得る。ここでの目的は、できるだけ多くの通流可能なチャネルを形成し、できるだけ少ない段部とできるだけ鋭い縁部の移行部とを形成するために、支持体外被の断面積を、巻回された層スタックでできるだけ完全に満たすことにある。その他に、連続的な縁部領域を有していて、特にコンタクトストリップなどの付加的要素を収容する必要がない場合、断面積を層スタックで満たすことは製造技術的な観点から比較的容易である。

好適な実施例は、絶縁領域が空隙によって形成されていること、または絶縁領域がセラミック絶縁によって形成されていることを特徴とする。

特に好適には、絶縁領域は、セラミック材料層によって形成される。このセラミック材料層は、***部に直接挿入するか、またはコンタクトストリップ上に被着することができる。このセラミック絶縁部には、好適には導電性の金属から形成されたコンタクトストリップを接続することができる。この目的のために、活性型はんだの使用が特に有利であり、かつ／または先のセラミック絶縁層の金属化が有利であり、これにより、コンタクトストリップは、例えばはんだ付けすることも、または溶接することも可能になる。このセラミック層は、そのような構造においては、同時に支持体外被に対するコンタクトストリップの機械的支持体としても機能する。

代替的に、コンタクトストリップと支持体外被との間に空隙を設けることができる。その場合、コンタクトストリップを支持体外被内で安定化させるための付加的手段を設ける必要があり、また、振動または他の外的影響に基づく支持体外被の意図しない接触接続を防止するための手段を講じる必要もある。

また、好適には、コンタクトストリップは、何もしない限り相互に電気的に絶縁されている３つまでの層スタックに導電的に接続されている。コンタクトストリップと複数の個々の層スタックとの接続は有利である。なぜなら、それによって電流導入をより正確に行うことができ、加熱ディスクの全面にわたってより均一な電流分布が達成されることが保証されるからである。

スタック内に並列に配置された層の数が多いほど、スタックを通流する電流が抵抗の低い領域に沿って拡がる可能性が高くなり、ひいては平均を大幅に超えて通流する領域を造り出し、同時に平均を大幅に下回って通流する領域を造り出す可能性が高くなる。このことから、温度分布において強い不均一性が生じる可能性があり、これによって、加熱力または加熱ディスクの全体的な性能が低下する。その他に、不均一な温度分布とその結果から生じる材料内の応力とによって、耐久性が悪影響を受ける。

それゆえ、好適には、層スタックが、できるだけ多くの相互に絶縁されたサブスタックに分割されている。サブスタックの合計から形成される合計スタックの層が多いほど、機能的な観点から望ましいサブスタックの数も多くなる。実際のテストからは、５〜７層を超えないサブスタックが有利な均一分布を生成することが示されている。特に大きな直径の加熱ディスクの場合、２０層までの合計層からなるスタックが可能であり、この場合、各合計層は、それぞれ１つの滑らかな層と波形層とからなっている。その結果、２〜３のサブスタックの特に適切な分割が生じる。理想的には、３〜７層の１つのスタック、８〜１４層の２つのスタック、ならびに１５層を超える３つのスタックに分割されている。

さらに、好適には、５つまでの、好適には３つまでの層スタックは、それぞれ、７つまでの波形の金属層を有し、８つまでの滑らかな金属層を有している。

さらに好適には、コンタクトストリップは、支持体外被の周面方向に延在しており、コンタクトストリップの一部領域は、ハニカム体の中心軸に対して曲げられている。このことは、振動、熱膨張などに基づくコンタクトストリップの動揺もコンタクトストリップと支持体外被との間の導電的な接触接続につながらないように、コンタクトストリップと支持体外被との間の距離を増加させるのに有利である。

また、合目的的には、コンタクトストリップの曲げられた領域は、この曲げられた領域の２５００Ｈｚを超える値を有する共振周波数が排気ガスシステムの振動周波数を外れる領域になるように寸法設定されている。

コンタクトストリップは、加熱ディスクを通って通流可能な電流全体の受け入れのために設けられており、それゆえ、必然的に、金属層を形成する箔の幅による厚さの乗算から生じる合計以上の断面を有する必要がある。冷却面の減少を補償するための追加分を含めて厚さは、以下のように算定される。
厚さ_{コンタクトストリップ}＝Ｄ_ｆ×（ｎ_波形層＋１）×３００μｍ
ここで、補正係数Ｄ_ｆは、０．６〜１．５の間にあってよい。

したがって、コンタクトストリップは、例えば２５００Ｈｚの振動負荷に破壊されることなく耐え得るように寸法決めされる。

好適には、前記領域内でできるだけ少ない熱しか発生させないために、比抵抗の低い材料、好適には１．５Ω×ｍｍ^２／ｍ未満の材料が使用される。

さらに、好適には、支持体外被を通る電気的接触接続のための貫通部は、外方から内方に向かって円錐状に先細になる断面を有している。外方から内方に向かって円錐状に先細になる断面は有利である。なぜなら、貫通部内への内部導体の圧入によって堅固で確実な保持が生成できるからである。これにより、圧入力の増加とともに内部導体の送り込みにより、貫通部内での内部導体の固定に影響を与えることができる。

さらに、合目的的には、電気的接触接続が、支持体外被を貫通する収容スリーブ内に挿入されている内部導体によって形成されており、内部導体は、電気的絶縁層によって収容スリーブから離間されている。このことは、内部におけるコンタクトストリップの電気的接触接続を保証すると同時に、内部導体と、収容スリーブが保持されている支持体外被との間の電気的接触接続を回避するために有利である。

また、好適には、内部導体および／または収容スリーブは、円錐状に先細になる断面を有している。このことは、収容スリーブ内への内部導体の所定の圧入を可能にするために特に有利である。内部導体および収容スリーブの寸法に依存して、所定の圧入力のもとで、内部導体のために正確に定められた挿入深さを保証することができる。

さらに、好適には、コンタクトストリップは、電気的接触接続を形成しかつ支持体外被によって案内される要素と接続されており、これらの要素によって支持体外被に対して位置決めされている。このことは、一方では、内部導体のためのヒューズを生成し、内部導体の不用意な解離を回避するために有利であり、他方では、コンタクトストリップを簡単な手法で電気的に接触接続させ、コンタクトストリップを支持体外被の内部に固定するために有利である。

また、合目的的には、コンタクトストリップは、金属／セラミックはんだ接合を用いて、支持体外被に、機械的に固定されるが絶縁層に対して電気的に絶縁されるように接続されている。

方法に関する課題は、請求項１４の特徴を有する方法によって解決される。

本発明の一実施例は、加熱ディスクを備えた触媒を製造するための方法に関しており、以下のステップは、この方法の一部である。
・***部を支持体外被に成形するステップ、
・***部をセラミック絶縁層でコーティングするステップ、
・支持体外被によって取り囲まれた領域内にコンタクトストリップを導入するステップ、
・層スタックをコンタクトストリップにはんだ付けするステップ、
・電気的接触接続部をコンタクトストリップにはんだ付けまたは溶接するステップ。

そのような方法は、支持体外被によって予め定められた断面積を巻回された層スタックとは別の要素で満たす必要なく、コンタクトストリップおよび電気的絶縁層のための支持体外被の内部に収容領域を造り出すのに特に有利である。好適には、支持体外被によって形成される全断面積は、できるだけ大きく通流可能な面積を得るために、したがって加熱ディスクから排気ガス流へのできるだけ良好な熱伝導を得るために、巻回された層スタックで満たされる。

さらに好適には、絶縁層は金属化を施される。絶縁層の金属化は、溶接またははんだ付けなどの従来の方法を使用して、絶縁層へのコンタクトストリップの接続を達成可能にするのに有利である。

また、合目的的には、内部導体と収容スリーブとが、支持体外被上で相互に圧入される。このことは、内部導体と収容スリーブとが相互に堅固に接続され、要素が想定外に互いに分離しないことを保証するのに有利である。

本発明の好適な発展形態は、従属請求項および以下の図面の説明に記載されている。

以下では、本発明を実施例に基づき図面を参照しながらより詳細に説明する。

電気的接触接続のための貫通部と、複数の層スタックを接続するためのコンタクトストリップとを備えた、本発明による加熱ディスクの概略的断面図 電流を層スタック内に導入するために使用される内部導体を有する貫通部の断面図 コンタクトストリップが曲げられた領域を有している加熱ディスクのさらなる概略的断面図

図１は、加熱ディスク１の断面図を示す。この加熱ディスク１は、複数の層スタック２から形成されており、これらの層スタック２も、上下に積層された滑らかな金属層と波形の金属層とから形成されている。これらの層スタック２は、空隙３によって相互に電気的に絶縁されており、そのため、電流は、１つの層スタック２から次の層スタック２へ経由的に流れることはできない。

層スタック２は、端部側でコンタクトストリップ４に接続されている。コンタクトストリップ４は、自身の側が図１には示されていない電気的導体路に接続されており、この導体路は、貫通部５を通って加熱ディスク１内部に案内される。

巻回された層スタック２およびコンタクトストリップ４は、支持体外被６内に配置されており、支持体外被６は、層スタック２によって形成された加熱ディスク１を含み、加熱ディスク１に必要な安定性を与えている。

電流は、貫通部５を通ってコンタクトストリップ４に伝達され、矢印７に沿って層スタック２を通って通流する。図１の実施例では、２つの層スタック２がコンタクトストリップ４に導電的に接続されている。それゆえ、これらの２つの層スタック２では、貫通部５を通って通流する電流が均等に印加される。これらの層スタック２相互の電気的絶縁により、さらに、電流がそれぞれ、各層スタック２に沿ってのみ流れ、隣接する層スタック２内で制御不能に経由的に流れないことが保証されている。このことは、特に、温度分布が不均一になり、ひいては加熱ディスク１の効率に悪影響を及ぼす可能性のある、優先的な短縮された電流通流パスが生じないことを保証するのに重要である。

支持体外被６は、径方向外向きの***部８を有している。この***部８は、コンタクトストリップ４と、場合によっては絶縁領域９とを収容するのに用いられる。***部８は、好適には、コンタクトストリップ４が完全に***部８内に収容できるように構成されており、したがって、支持体外被６によって包含された全断面積が、巻回された層スタック２のために、またはそこから形成される加熱ディスク１のために使用できるように構成されている。

絶縁領域９は、実施形態に応じて、コンタクトストリップ４が支持体外被６から十分に離間されてその中に配置される空気層かまたはセラミック材料層によって形成されていてよい。好適には、コンタクトストリップ４は、セラミック絶縁層によって支持体外被６に対して支持されており、場合によっては、それを介して支持体外被６にも接続される。これにより、加熱ディスクの強度と耐久性が向上する。

貫通部５は、永続的な保持を保証するために、支持体外被６に好適には溶接またははんだ付けされている。

図２は、図１において既に参照符号５で示したような貫通部１０の断面図を示す。

貫通部１０は、支持体外被に接続された収容スリーブ１２を通ってコンタクトストリップ１３まで案内される内部導体１１を有している。収容スリーブ１２と内部導体１１との間には絶縁層１４が配置されており、この絶縁層１４は、支持体外被に対する電気的な絶縁を達成する。

コンタクトストリップ１３および内部導体１１は、好適には相互に溶接またははんだ付けされている。

図２の実施例は、内部導体１１および収容スリーブ１２を示しており、これらはそれぞれ、内方に向かって円錐状に先細になる断面を有している。したがって、内部導体１１を収容スリーブ１２内へ押し込むことにより、内部導体１１と収容スリーブ１２との間で圧力が生成される。

その他に、収容スリーブ１２および内部導体１１のそのような構成によれば、コンタクトストリップ１３が確実にその位置に保持されることが保証される。なぜなら、円錐状の構成に基づき、支持体外被の内部領域内への内部導体１１の滑り落ちが除外されているからである。

図３は、他の点では図１に一致する構造の中でコンタクトストリップ２０の代替的実施形態を示す。図３では、簡素化の理由から、コンタクトストリップ２０は、層スタック２１にのみ接続されている。ただし、相互に電気的に絶縁されている複数の層スタックを接続することは問題なく可能である。

コンタクトストリップ２０は、曲げられた領域２４を有しており、この曲げられた領域２４は、支持体外被２２から離れるように径方向内向きに曲げられている。このことは有利である。なぜなら、それによって支持体外被２２とコンタクトストリップ２０との間の距離が増加し、これによって、例えばセラミック層などの電気的に絶縁された層が設けられていない場合であっても、電気的絶縁性が改善されるからである。

コンタクトストリップ２０および特に曲げられた領域２４は、材料選択と寸法設定とに関して特に、望ましくない共振現象を回避するために、コンタクトストリップ２０の固有周波数が、自動車の排気ガスシステムの振動の周波数スペクトル外にあるように設計することが可能である。

個々の実施例の異なる特徴は、相互に組み合わせることも可能である。図１から図３の実施例は、特に限定すべき特徴を有するものではなく、本発明の考察の明確化に用いられるものにすぎない。

Claims (15)

1. 排気ガス流および／または排気ガス後処理用のコンポーネントを加熱するための加熱ディスク（１）であって、
   上下に積層された滑らかで波形の複数の金属層から巻回されているハニカム体と、
   前記ハニカム体が収容されている支持体外被（６，２２）と、
   前記支持体外被（６，２２）を通って貫通案内され、前記ハニカム体を電源に接続可能にさせる電気的接触接続部と、を備えている、加熱ディスク（１）において、
   前記支持体外被（６，２２）によって取り囲まれた領域における前記電気的接触接続部が、前記支持体外被（６，２２）の周面方向に延在するコンタクトストリップ（４，２０）を有しており、
   前記支持体外被（６，２２）と前記コンタクトストリップ（４，２０）との間に絶縁領域（９）が形成されており、
   相互に電気的に絶縁され、それぞれが複数の滑らかな金属層と波形の金属層とから形成され、かつ相互に直接隣接して配置された複数の層スタック（２，２１）が、前記コンタクトストリップ（４，２０）に導電的に接続されており、
   前記支持体外被（６）は、周面方向に延在する前記コンタクトストリップ（４）を完全に収容する収容部を形成する、径方向外向きの***部（８）を有していることを特徴とする、加熱ディスク（１）。
2. 前記層スタック（２，２１）は、相互に電気的に絶縁されている、請求項１記載の加熱ディスク（１）。
3. 前記絶縁領域は、空隙によって形成されており、または前記絶縁領域（９）は、セラミック絶縁部によって形成されている、請求項１または２記載の加熱ディスク（１）。
4. 前記コンタクトストリップ（４，２０）は、何もしない限り相互に電気的に絶縁されている３つまでの前記層スタック（２，２１）に導電的に接続されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の加熱ディスク（１）。
5. ５つまでの、好適には３つまでの前記層スタック（２，２１）は、それぞれ、７つまでの波形の金属層を有し、８つまでの滑らかな金属層を有している、請求項４記載の加熱ディスク（１）。
6. 前記コンタクトストリップ（２０）は、前記支持体外被（２２）の周面方向に延在し、前記コンタクトストリップ（２０）の一部領域（２４）は、前記ハニカム体の中心軸に対して傾斜している、請求項１から５までのいずれか１項記載の加熱ディスク（１）。
7. 前記コンタクトストリップ（２０）の曲げられた前記領域（２４）は、曲げられた前記領域（２４）の２５００Ｈｚを超える値を有する共振周波数が排気ガスシステムの振動周波数外の領域になるように寸法設定されている、請求項６記載の加熱ディスク（１）。
8. 前記支持体外被（６）を通る電気的接触接続のための貫通部（５，１０）は、外方から内方に向かって円錐状に先細になる断面を有している、請求項１から７までのいずれか１項記載の加熱ディスク（１）。
9. 前記電気的接触接続は、前記支持体外被を貫通する収容スリーブ（１２）内に挿入されている内部導体（１１）によって形成され、前記内部導体（１１）は、前記収容スリーブ（１２）から電気的絶縁層（１４）によって離間されている、請求項８記載の加熱ディスク（１）。
10. 前記内部導体（１１）および／または前記収容スリーブ（１２）は、円錐状に先細になる断面を有している、請求項９記載の加熱ディスク（１）。
11. 前記コンタクトストリップ（４，２０）は、電気的接触接続を形成しかつ支持体外被（６，２２）によって案内される要素に接続され、該要素によって前記支持体外被（６，２２）に対して位置決めされている、請求項１から１０までのいずれか１項記載の加熱ディスク（１）。
12. 前記コンタクトストリップは、金属／セラミックはんだ接合を用いて、前記支持体外被に、機械的に固定されるが前記絶縁領域に対して電気的に絶縁されるように接続されている、請求項１から１１までのいずれか１項記載の加熱ディスク（１）。
13. 請求項１から１２までのいずれか１項記載の加熱ディスク（１）を備えた触媒を製造するための方法であって、
    前記方法の一部として以下のステップ、すなわち、
    ・前記***部（８）を支持体外被（６）に成形するステップと、
    ・前記***部（８）をセラミック絶縁層（９）でコーティングするステップと、
    ・前記支持体外被（６）によって取り囲まれた領域内にコンタクトストリップ（４）を導入するステップと、
    ・層スタック（２）を前記コンタクトストリップ（４）にはんだ付けするステップと、
    ・電気的接触接続部を前記コンタクトストリップ（４）にはんだ付けまたは溶接するステップと、
    を含むことを特徴とする、方法。
14. 前記絶縁層（９）は、金属化を施される、請求項１３記載の方法。
15. 内部導体（１１）と収容スリーブ（１２）とが、前記支持体外被上で相互に圧入される、請求項１３または１４記載の方法。

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