TWI434991B - 具增大電阻區域的可電性加熱之蜂窩狀體 - Google Patents

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Description

具增大電阻區域的可電性加熱之蜂窩狀體
本發明有關一自一經捲繞堆積體之經部份結構化的片金屬箔所形成之蜂窩狀體，其中堆積體具有一電終端以提供一用於傳導一電流經過蜂窩狀體藉以將其加熱之路徑。
申請人在過去20年已決然地追求發展可電性加熱的金屬性蜂窩狀體。對於此，可譬如參照WO 92/02714 A1。該文件描述一由層狀配置的片金屬板構成之蜂窩狀體，其中片金屬板係至少部份地結構化且形成複數個可供一排氣流過且從一端面行進至另一端面之管道。此外，在從一端面至另一端面的方向中行進之複數個平面性間隙及/或電絕緣層之定位方式係可產生至少一在橫剖面平面中行進之內聚性(coherent)、導電性電流路徑。片金屬板藉由其一端導電式連接至一第一連接接觸部且藉由其另一端導電式連接至第二連接接觸部。這特別可以實行基本上在一平面中饋入及攜離功率之部件。
另一蜂窩狀體自WO 92/13636 A1得知，該蜂窩狀體可以一使被電流增高程度地加熱的區域形成於片金屬層的對應區中之方式藉由電阻的一目標式局部增加來控制經過蜂窩狀體的電流路徑，故可以具有蜂窩狀體的非均質性加熱。
使用蜂窩狀體作為加熱觸媒轉換器之長久慣例已顯示出：在部分案例中電流並未沿著一堆積體的個別片金屬箔均勻地傳播，而是在經捲繞或甚至經盤繞蜂窩狀體的案例 中尋找電終端與電地極之間的最短路徑。此脈絡中，電流特別利用經結構化及平坦片金屬板之間的接觸面，電流可經由其從一外片金屬板跳越至內片金屬板上、在彎曲區中尤然，且因此可尋找最短的電流路徑。結果，發生蜂窩狀體的橫剖面上之電流密度的不同分佈及因此亦發生不良之熱量的非均質性分佈。
特別是近來已在較大範圍作使用的大蜂窩狀體之案例中，由於大的堆積體高度使得非均質性加熱相對於蜂窩狀體橫剖面增加。由於尺寸，熱對流的效應在此處亦遠比具較小尺寸的蜂窩狀體中更小，故施加有較小電流之蜂窩狀體的區亦在一顯著較長時間保持冷涼。
本發明之目的因此係在於至少部份地解決對於先前技藝所描述的問題，特別是產生一可准許在蜂窩狀體整體橫剖面上作加熱之蜂窩狀體。在同時，旨在指定一儘管相對較頻繁使用(譬如在一汽車的一排氣系統中)藉由均質性功率負載而具有較長服務壽命之蜂窩狀體。
藉由根據申請專利範圍第1項的特徵結構之一蜂窩狀體來達成這些目的。在如同依附項所配製的專利請求項中指定本發明的進一步有利實施例。因此請注意次項中個別揭露的特徵結構可以任何理想技術適當方式彼此合併且界定本發明的進一步精修例。尚且，專利請求項中所指定的特徵結構更詳細地描述及說明於描述中，且提出本發明的進一步較佳示範性實施例。
為了達成此目的，根據本發明的蜂窩狀體係由至少一經捲繞堆積體的片金屬箔所形成，其中堆積體的一第一端連接至一電終端，而一第二端連接至一電地極，其中－至少一堆積體具有複數個彼此電性接觸之片金屬箔，－片金屬箔至少部份地結構化並在結構的方向中決定至少一堆積體的一高度，－至少一堆積體具有至少一曲率包含一小曲率半徑及一大曲率半徑，及－至少一堆積體在一包含該至少一曲率的曲率段中形成具有增加電阻之至少一區域，該區域在至少一堆積體的部份高度上從小曲率半徑開始延伸。
彼此電性接觸之上述堆積體的複數個片金屬箔係可特別連接至一配置於一圍繞蜂窩狀體的殼體上之電終端，且此殼體若適當的話亦可在其周圍上具有複數個分段藉以因此將電流施加至個別堆積體。尚且，地極可配置於周圍上或另中央地配置於蜂窩狀體的橫剖面中間，且在同時其應被連接至所有層。對於饋入功率之部件的顯示及更詳細描述而言，特別亦可使用開頭所提及之申請人的兩項公開案。
片金屬箔的結構較佳自平行於蜂窩狀體的縱軸線或貫穿流向所延伸之波褶形狀形成，在該例中，波褶形狀特別構形為ω波或正弦波的形式或為一鋸齒方式(尖角狀)。基本上可以使一堆積體由複數個以平面性方式支承抵住彼此的片金屬箔形成以使結構沿著其表面形成複數個流路徑，譬如用於排氣。因此結構係分開相鄰的片金屬箔以使支承抵 住彼此的片金屬箔終將形成整體堆積體的一高度，其特別是依據結構高度及片金屬箔的厚度之總和而定。基本上，可以使複數個堆積體形成一蜂窩狀體，但此處為求設計簡單起見較佳使用譬如以其蜿蜒配置來充填蜂窩狀體的橫剖面之單一堆積體(或最多2個堆積體)。
具有增加電阻的至少一區域可用來防止電流尋找曲率內側上的最短可能路徑且因此較佳將電流傳導於彎曲段內之堆積體的外片金屬箔上藉以因此確保具有適應的電流密度且即便在曲率區中亦確保蜂窩狀體的均質性加熱，其中該區域特別將在一堆積體的內片金屬箔中之一曲率的內區中構成。基於此目的，所採用的程序特別可使得譬如片金屬箔、其配置及/或彼此的電性接觸在一預定曲率段中相較於堆積體的其他區作改變。在此彎曲段中、亦即特別靠近“內、相對較小”曲率半徑處，形成一相較於一“外、相對較大”曲率半徑區具有增加電阻之區域使得該區域依此只延伸於堆積體的部份高度上，譬如至多60%的高度或甚至只有30%的高度。此處較佳以曲率組態(曲率半徑、彎曲段長度、...)的一函數來選擇可供至少一區域延伸之高度的比例，也就是說若有一相對較顯著的曲率則譬如會增大。該區域在此處延伸於複數個片金屬箔上以使該區域只經由電阻及/或個別片金屬箔的電接觸部之交互作用形成。
根據本發明的一發展，提議使至少一區域由具有小於80 mm的最小彎折半徑之片金屬箔形成。該區域較佳只隨後形成或只形成於在彎曲段的區中具有小於50 mm、且特 佳在該至少一區域中小於20 mm的最小彎折半徑之片金屬箔處。彎折半徑用來描述一個別片金屬箔的曲率輪廓(中心平面或中央面)。若考慮一經結構化的片金屬箔，則考慮中心平面的曲率輪廓。在彎曲段內，一片金屬箔的彎折半徑可能變動，基於該原因，此處使用最小彎折半徑，且若適當的話，片金屬箔若其最小彎折半徑在一區位或只譬如確切對於具有小於80 mm彎折半徑之區域小於上述限制值則其本身可在整體彎曲段上變動。
根據本發明的另一實施例，至少一區域係配置於始自曲率半徑原點之一角度內。易言之，蜂窩狀體因此特別具有至少一呈增加電阻之區域，其中該區域位於始自(小)曲率半徑的原點之一角度內。應以使電流並未保持完全遠離至少一區域而是只相對小程度地穿過特別是配置成靠近最小曲率半徑的片金屬板之方式來實施個別片金屬箔中的電阻。基於此原因，此角度係譬如侷限了其上使片金屬箔具有增加電阻之各片金屬箔的長度藉以將一增加功率流從其中較佳有一流經過之區轉向至從最小曲率半徑朝向外側配置之一堆積體的片金屬箔之區中。此處角度可為恆定且具有從0至360∘的範圍、較佳從90至180∘的範圍、且特佳從120至160∘的範圍。角度亦可以片金屬箔的各別彎折半徑或彎曲段的(最小)曲率半徑之一函數而變動並可被對應地指定為改變的彎折半徑之一函數。特定言之，應對於具有一相對較大彎折半徑之片金屬箔選擇一相對較大的角度。
根據蜂窩狀體的另一實施例，至少部分的片金屬箔係 在至少一區域的區中具有不同長度的區域段。這特別代表堆積體的高度方向中之區域不必具有恆定輪廓，也就是說此處不需譬如實施為長方形、半圓形或圓錐形區域。而是，可以(但不強迫)使形成至少一區域之各片金屬箔在一可預定區上就其貫穿流表現或對於電流的接觸表現方面受到修改，該區若適當的話亦不同於(所有)相鄰的片金屬箔。
基本上，片金屬箔中的電阻或複數個片金屬箔彼此的接觸電阻可在至少一區域內以廣泛不同的方式增加。
根據本發明的蜂窩狀體之一合宜實施例中，至少部分的片金屬箔就其在至少一區域中的厚度來說係為不同。基本上，可假設一相對較厚的片金屬箔比起一相對較薄的片金屬箔具有一較小電性或歐姆電阻(給定相同的長度及相同的材料)。片金屬箔當然可以一根本各別的厚度實施，在該例中，片金屬箔則可因為在其他彎曲區中具有不同電阻而為不同，或者片金屬箔分別由不同厚度的材料構成。
根據另一實施例，提議使片金屬箔至少部份地設有一結構，且至少部分的片金屬箔在至少一區域中於其結構上為不同。這特別表示：一方面來說，經結構化的片金屬箔就其結構化的高度且就其形狀而言可為不同。譬如，相較於以一鋸齒形狀(尖角狀)被結構化之片金屬板而言，具有正弦形狀或ω形狀結構之片金屬板係提供一與相鄰(較佳平坦)片金屬箔之較大的接觸面。就從一片金屬箔至另一片金屬箔的電流傳導而言，這些不同的接觸面產生相對較大或相對較小的(接觸)電阻。
根據另一實施例，提議使至少部分的片金屬箔具有來自包含孔、槽、邊翼及流轉向器所組成的群組之至少一元件。元件可個別地或累積地設置且亦可與不同指定維度使用。特定言之，為了形成所想要的區域，可以在片金屬箔中提供具有一堆積體的相對較小彎折半徑之槽，該等槽特別對於電流的主貫穿流向呈橫向地配置以強迫電流採行相對較長的路徑且因此偏好經過相鄰層之一轉向。雖然孔及/或槽只在片金屬箔的平面中延伸，邊翼及/或流轉向器自片金屬箔的平面凸起且因此可額外地用來進行相鄰片金屬箔之間的電性接觸及/或影響經過蜂窩狀體或其管道之一流體(特別是排氣)的流表現。
根據本發明的另一較佳實施例，個別相鄰片金屬箔之間的一接觸面之尺寸係在至少一區域內為不同。除了已指定的特徵結構外，此處請注意相鄰表面之間的接觸面特別亦可譬如被配置於經結構化片金屬箔極端處或另配置於經結構化箔極端的區中之平坦箔處之邊翼、流轉向器、孔或槽所中斷。
根據另一有利實施例，提議使至少一片金屬箔至少部份地在至少一區域內具有一絕緣塗層。此塗層可譬如藉由火燄噴灑、擴散或其他方法施加至原本導電性的片金屬箔，且因此特別適合影響與相鄰片金屬箔之接觸電阻。
若至少一片金屬箔在至少一區域內包含至少部份不導電材料將亦為有利方式。因此在片金屬箔在最大曲率半徑的區中配置於一堆積體內之案例中可以使電流保持在片金 屬箔內而該電流無法轉向至在最小曲率半徑方向中更加往內設置之片金屬箔。
根據另一較佳實施例，至少部分的片金屬箔可在至少一區域內由不同材料製造。經由匹配地選擇適當材料，可以在此區域中設定片金屬箔的特定電阻。較佳使得片金屬箔以鋼作為基本材料，該材料具有顯著量的鉻及/或鋁及/或鎳。為此，在該區域的區中，譬如亦經由改變表面，可使片金屬箔的組成物不同於該片金屬箔的其他區。
根據本發明之至少一堆積體的蜂窩狀體之高度較佳至少為10 mm。其他實施例中，高度亦可抵達至少20 mm或甚至至少50 mm的數值。藉由這些大堆積體高度，更大程度地發生“電流流短路”之效應所以特別是在不具有此處所提議位於彎曲段中的增加電阻區域之厚堆積體的案例中，只有小的內部區將因為歐姆電阻導致的加熱被加熱。結果，此處已經以厚堆積體來顯示本發明之一特別良好的效應。
根據本發明的蜂窩狀體此處特別被提供使用於一汽車中。其隨後譬如作為一用於予以流經的排氣之加熱元件、一至少部份地設置於其上之(觸媒活性)塗層及/或另一配置於下游之排氣處理裝置。
圖式簡單說明
下文將參照圖式更詳細地描述本發明及技術領域。請注意圖式顯示本發明的特佳實施例但不在此限，其中在示意圖中：第1圖顯示經過一具有用於界定一S形電流路徑的交替 式平坦與波褶狀片金屬箔之經S形捲繞且彼此部份地絕緣的堆積體之蜂窩狀體的橫剖視圖；第2圖顯示經過具有一經S形捲繞的堆積體之另一蜂窩狀體的橫剖視圖；第3圖顯示經過一堆積體的第一實施例變異之剖視圖；第4圖顯示一堆積體的第二實施例變異之細節；及第5圖顯示一堆積體的第三實施例變異之細節。
第1圖顯示作為一汽車18的一排氣裝置32的一組件之根據本發明的一蜂窩狀體1，其中排氣的流向31平行於蜂窩狀體1的縱軸線24。蜂窩狀體1在此處自分別由平坦的片金屬箔7及具有結構8的片金屬箔7形成之兩堆積體2所構成，該等片金屬箔7交替地配置於彼此頂上，其中兩堆積體2以S形捲繞於彼此中。兩經捲繞堆積體2藉由一絕緣部件19彼此分離且設置於一殼體21內部。電流22經由一電終端4輸入且電流22經由一電地極6輸出。首先，電流22經由電終端4及以一嘴口方式包圍第一堆積體2第一端3之電流分佈結構20流入第一堆積體2中且在被亦以一嘴口方式包圍第一堆積體2第二端5的電流分佈結構20所接取之前穿過一S形路徑。自此處，電流22在經由第二堆積體2以與第一S形路徑相反的方向中流回之前再度經由亦以一嘴口方式包圍第二堆積體2第一端3之電流分佈結構20饋送至第二堆積體2中，其中電流轉而在第二堆積體2的第二端5被亦以一嘴口方式包圍第二堆積體2第二端5之電流分佈結構20所接取。 自此處，電流22經由前往電地極6的貫穿連接被往外轉向(電流流原則上以第1圖的小箭頭顯示)。部分的電流分佈結構20延伸至位居與貫穿連接相反之殼體21側上之一容槽33內部中，此脈絡中，如同在貫穿連接中，電終端4(例如電流饋送線)及電地極6亦藉由絕緣部件19在此蓋內部中彼此分離。蜂窩狀體1內部之區域亦藉由一絕緣部件19(間隙或絕緣材料)彼此電性分離。
此處所示的蜂窩狀體1之實施例中，電流22較佳將流經個別堆積體2的最小曲率半徑區，譬如直接位於一曲率半徑11的原點15附近，故在具有最大曲率半徑的堆積體區中，此處將未出現有足夠電流密度，其將導致蜂窩狀體1的非均質性加熱。基於此原因，出現有增加電阻之區域14係特別設置於最小曲率半徑區中藉以強迫電流22較大程度地流經堆積體2中的外片金屬箔7。具有不同電阻之所描述區域14，除了堆積體2彎曲區中的較佳配置外當然在一很不同實施例中亦可沿著蜂窩狀體1的縱軸線24配置故除了蜂窩狀體1整體橫剖面25的均質性加熱外，亦沿著蜂窩狀體1的縱軸線24達成均質性及快速的加熱。
第2圖亦為具有橫剖面25之蜂窩狀體1的另一示範性實施例之示意圖，其只有一堆積體2以更加清楚所顯示可電性加熱的蜂窩狀體1之功能。堆積體2在此處在一包含一曲率10的彎曲段13上自一配置於殼體21上且具有一第一端3之電終端4延伸至與此處亦被攻製於殼體21中的電地極6連接之堆積體2第二端5。堆積體2自平坦片金屬箔7及經結構化 的片金屬箔7構成，該等片金屬箔在構成結構8的方向中配置於彼此頂上，以形成一高度9，其中堆積體2在彎曲段13區中具有一始自一原點15之小曲率半徑11及一大曲率半徑12。彎曲段13內，提供一方面被始自原點15的小曲率半徑11所劃限之區域14，且其只延伸於堆積體2的高度9之一特定比例上方且亦位於一角度23內。
此區域14內，電阻係以特別不使電流22沿著最小曲率半徑11流動於最短可想見路徑上之方式與片金屬箔7一起形成，而是使其以達成一匹配的電流密度且因此整體堆積體橫剖面發生均質性加熱之方式在大曲率半徑12附近經由區域14被轉向至外片金屬箔7中。
第3圖為一具有一高度9及一區域14(被虛線所劃限)之堆積體2段之示意圖，該區域自片金屬箔7的個別區域段26形成。此脈絡中，區域段26在各別片金屬箔7中具有不同長度。區域段26在此處配置於自一堆積體的最內片金屬箔7之一小曲率半徑11的一原點15延伸之一角度23內。個別片金屬箔7可具有不同結構8藉以利用此方式形成具有對應接觸電阻的較佳接觸面29(參見第5圖)。一堆積體2的個別片金屬箔7各沿著片金屬箔7具有一亦可在該堆積體2的彎曲段13(參見第2圖)內改變之彎折半徑16。
第4圖為一堆積體2的細節之示意圖，其中片金屬箔7具有部份地波褶狀結構8，且額外地具有亦可實施為長形槽之孔27。尚且，平坦片金屬箔7在此範例中設有一絕緣塗層30且具有一厚度17。
第5圖為一堆積體2的進一步細節之示意圖，其中片金屬箔7部份地具有結構8及流轉向器28。波褶狀結構8以導電方式藉由接觸面29連接至平坦片金屬箔7。在此處藉由省略接觸面29使得片金屬箔7之間的接觸電阻在流轉向器28區中增大。
此處所示的蜂窩狀體的不同實施例只就蜂窩狀體的捲繞或電源供應或其他細節來顯示實施例的有限選擇。
1‧‧‧蜂窩狀體
2‧‧‧堆積體
3‧‧‧第一端
4‧‧‧電終端
5‧‧‧第二端
6‧‧‧電地極
7‧‧‧片金屬箔
8‧‧‧結構
9‧‧‧高度
10‧‧‧曲率
11‧‧‧小曲率半徑
12‧‧‧大曲率半徑
13‧‧‧彎曲段
14‧‧‧區域
15‧‧‧原點
16‧‧‧彎折半徑
17‧‧‧厚度
18‧‧‧汽車
19‧‧‧絕緣部件
20‧‧‧電流分佈結構
21‧‧‧殼體
22‧‧‧電流
23‧‧‧角度
24‧‧‧縱軸線
25‧‧‧橫剖面
26‧‧‧區域段
27‧‧‧孔
28‧‧‧流轉向器
29‧‧‧接觸面
30‧‧‧絕緣塗層
31‧‧‧排氣的流向
32‧‧‧排氣裝置
33‧‧‧容槽
第1圖顯示經過一具有用於界定一S形電流路徑的交替式平坦與波褶狀片金屬箔之經S形捲繞且彼此部份地絕緣的堆積體之蜂窩狀體的橫剖視圖；第2圖顯示經過具有一經S形捲繞的堆積體之另一蜂窩狀體的橫剖視圖；第3圖顯示經過一堆積體的第一實施例變異之剖視圖；第4圖顯示一堆積體的第二實施例變異之細節；及第5圖顯示一堆積體的第三實施例變異之細節。
1‧‧‧蜂窩狀體
2‧‧‧堆積體
3‧‧‧第一端
4‧‧‧電終端
5‧‧‧第二端
6‧‧‧電地極
7‧‧‧片金屬箔
8‧‧‧結構
9‧‧‧高度
10‧‧‧曲率
11‧‧‧小曲率半徑
12‧‧‧大曲率半徑
13‧‧‧彎曲段
14‧‧‧區域
15‧‧‧原點
21‧‧‧殼體
23‧‧‧角度
25‧‧‧橫剖面

Claims (13)

  1. 一種蜂窩狀體，其係由至少一經捲繞堆積體的片金屬箔所形成，其中該堆積體的一第一端係連接至一電終端，而一第二端係連接至一電地極，其中-該至少一堆積體具有複數個彼此電性接觸之片金屬箔，-該等片金屬箔係至少部份地結構化並在該等結構的方向中決定該至少一堆積體的一高度，-該至少一堆積體具有至少一曲率包含一小曲率半徑及一大曲率半徑，及-該至少一堆積體在一包含該至少一曲率的曲率段中形成具有增加電阻之至少一區域，該區域在該至少一堆積體的部份高度上從該小曲率半徑開始延伸，其中相較於該堆積體之其他區，該等片金屬箔之組態及/或彼此電性接觸係在一曲率段改變為在該至少一曲率，一適應的電流密度係在該堆積體之該高度達成，且因此可達成該曲率區之均質性加熱。
  2. 如申請專利範圍第1項之蜂窩狀體，其中該至少一區域係以在該至少一區域中具有小於80mm的一最小彎折半徑之片金屬箔所形成。
  3. 如申請專利範圍第1項之蜂窩狀體，其中該至少一區域係配置於始自該曲率半徑的一原點之一角度內。
  4. 如申請專利範圍第1項之蜂窩狀體，其中至少部份的該等片金屬箔在該至少一區域的區中具有不同長度的區 域段。
  5. 如申請專利範圍第1項之蜂窩狀體，其中至少部份的該等片金屬箔在該至少一區域中具有不同厚度。
  6. 如申請專利範圍第1項之蜂窩狀體，其中該等片金屬箔係至少部份地設有一結構，且至少部分的該等片金屬箔在該至少一區域中具有不同結構。
  7. 如申請專利範圍第1項之蜂窩狀體，其中至少部份的該等片金屬箔具有來自包含孔、槽、邊翼及流轉向器的群組之至少一元件。
  8. 如申請專利範圍第1項之蜂窩狀體，其中個別相鄰片金屬箔之間的一接觸面的尺寸在該至少一區域內為不同。
  9. 如申請專利範圍第1項之蜂窩狀體，其中至少一片金屬箔至少部份地在該至少一區域內具有一絕緣塗層。
  10. 如申請專利範圍第1項之蜂窩狀體，其中至少一片金屬箔在該至少一區域內包含至少部份不導電材料。
  11. 如申請專利範圍第1項之蜂窩狀體，其中至少部份的該等片金屬箔在該至少一區域內係由不同材料製成。
  12. 如申請專利範圍第1項之蜂窩狀體，其中該至少一堆積體的該高度為至少10mm。
  13. 一種汽車，具有如前述申請專利範圍任一項之至少一蜂窩狀體。
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