СОТОВЫЙ ЭЛЕМЕНТ С МНОГОСТУПЕНЧАТЫМ НАГРЕВОМ
CELL ELEMENT WITH MULTISTAGE HEATING

Настоящее изобретение относится к электронагреваемому сотовому элементу, проточному для текучей среды, прежде всего проточному для отработавших газов (ОГ). Помимо этого изобретение относится к автомобилю с соответствующим нагреваемым сотовым элементом, а также к способу нагрева сотового элемента.
Подобные сотовые элементы обычно используются в качестве контактной поверхности для нагрева текучих сред, а в некоторых случаях используются также в качестве носителей каталитических нейтрализаторов или катализаторов, предназначенных для каталитического превращения реакционноспособных компонентов текучих сред. Одной из важных областей применения таких электронагреваемых сотовых элементов в сочетании с (расположенными при определенных условиях далее по ходу потока) катализаторами является каталитическая нейтрализация ОГ, образующихся при работе двигателей внутреннего сгорания (ДВС), прежде всего ДВС автомобилей. При этом сотовые элементы с каталитически активным покрытием устанавливаются в системе выпуска ОГ, образующихся при работе ДВС и проходящих через такие сотовые элементы при работе ДВС.
Катализаторы начинают проявлять свое каталитическое действие обычно лишь выше определенных температур, так называемых начальных рабочих температур. У катализаторов, используемых для превращения вредных веществ, содержащихся в ОГ, образующихся при работе обычных ДВС, начальная рабочая температура обычно составляет несколько сотен градусов Цельсия (например, составляет около 250°C). Поэтому подобный катализатор для максимально быстрого достижения им своей каталитической активности или для ее поддержания в процессе работы ДВС необходимо нагревать, прежде всего в период пуска и прогрева ДВС, когда образующиеся при его работе ОГ обычно имеют сравнительно низкую температуру.
Нагреваемый сотовый элемент известен, например, из WO 92/13636 A1 и состоит из двух дисков. Эти два диска сотового элемента отстоят друг от друга и соединены между собой штырями. Подобное конструктивное исполнение сотового элемента позволяет выполнять первый диск быстро нагреваемым путем пропускания через него электрического тока. При этом такой диск имеет несколько нагреваемых участков, которые электрически соединены по последовательной схеме. По этой причине целенаправленный нагрев определенных участков с обеспечением разной на каждом из них тепловой мощности сотового элемента невозможен.
Исходя из вышеизложенного, в основу настоящего изобретения была положена задача по меньшей мере частично решить рассмотренные выше в описании уровня техники проблемы и прежде всего разработать сотовый элемент с многоступенчатым нагревом, имеющий несколько нагревательных контуров с индивидуально, соответственно независимо регулируемой тепловой мощностью каждого из них, при этом предпочтительно должен обеспечиваться также равномерный по всему проходимому текучей средой сечению сотового элемента ее нагрев, соответственно равномерный по всему проходимому текучей средой сечению сотового элемента подвод к ней тепла. Задача изобретения состояла далее в разработке соответствующего способа избирательного нагрева сотового элемента с разной тепловой мощностью, а также в разработке соответствующего автомобиля.
Указанные задачи решаются с помощью устройств, заявленных в пп.1 и 7 формулы изобретения, а также с помощью способа, заявленного в п.6 формулы изобретения. Различные предпочтительные варианты осуществления изобретения представлены в соответствующих зависимых пунктах формулы изобретения. Необходимо отметить, что представленные по отдельности в зависимых пунктах формулы изобретения его отличительные особенности могут использоваться в любом технически целесообразном сочетании друг с другом и могут образовывать другие варианты осуществления изобретения. Помимо этого отличительные особенности изобретения, указанные в формуле изобретения, конкретизированы и более подробно рассмотрены в последующем описании, в котором представлены также другие предпочтительные варианты осуществления изобретения.
Предлагаемый в изобретении электронагреваемый сотовый элемент с каналами имеет по меньшей мере один нагревательный диск с по меньшей мере одним первым и по меньшей мере одним вторым пакетами слоев из электропроводного материала, скрученными друг с другом и электрически изолированными друг от друга, при этом первый пакет слоев образует первый путь тока, предназначенный для пропускания электрического тока для первого нагревательного контура, а второй пакет слоев образует второй путь тока, предназначенный для пропускания электрического тока для второго нагревательного контура.
Подобный электронагреваемый сотовый элемент имеет, таким образом, по меньшей мере один нагревательный диск с по меньшей мере одним первым и по меньшей мере одним вторым пакетами слоев. Первый пакет слоев, а также второй пакет слоев в предпочтительном варианте набраны из гладких слоев и/или профилированных слоев, которые образуют (проходящие в основном параллельно друг другу) проточные каналы. Для этого гладкие слои и/или профилированные слои уложены друг на друга в виде пакета, при этом гладкие слои и/или профилированные слои в принципе можно комбинировать между собой любым образом. Такие гладкие, соответственно профилированные слои выполнены из электропроводного материала, прежде всего из металла, соответственно фольги, и могут иметь покрытие. Под таким покрытием может подразумеваться прежде всего каталитически активное покрытие из пористого оксида (пористое покрытие), которое благодаря своей пористой структуре увеличивает площадь поверхности сотового элемента и повышает его каталитическую активность.
Первый пакет слоев и второй пакет слоев в предпочтительном варианте сложены вдвое вдоль первой складки (первого места сгиба), соответственно вдоль второй складки (второго места сгиба). Эти первая и вторая складки проходят в основном параллельно средней оси сотового элемента. В результате складывания вдвое (сгибания вдвое, перегибания и т.д.) первый пакет слоев, начиная от своей первой складки, и второй пакет слоев, начиная от своей второй складки, имеют по две половины. Такие половины сложенных вдвое пакетов слоев электрически изолированы друг от друга (например, воздушным зазором). Сказанное означает, что электрический ток может протекать между обеими половинами сложенного вдвое пакета слоев только через его соответствующую складку.
Сложенный вдвое первый пакет слоев и сложенный вдвое второй пакет слоев в предпочтительном варианте S-образно скручены друг с другом, при этом первая складка первого пакета слоев и вторая складка второго пакета слоев в предпочтительном варианте расположены в зоне средней оси сотового элемента, соответственно вблизи нее. Помимо этого длина первого пакета слоев и длина второго пакета слоев с их входной стороны больше диаметра сотового элемента. Сказанное означает, в частности, что пакеты слоев пересекают диаметр сотового элемента не прямолинейно, а изогнуты в этой плоскости (при определенных условиях многократно). Расположение пакетов слоев в "скрученном" друг с другом виде обеспечивается, например, вследствие того, что пакеты слоев и на таких изогнутых участках повторяют форму друг друга (оставаясь на неизменном расстоянии друг друга), соответственно проходят на них в плоскости параллельно друг другу. В соответствии с этим "выпуклость" первого пакета слоев повторяет "вогнутость" второго пакета слоев и наоборот. Изогнутость пакетов слоев прежде всего можно также характеризовать тем, что каждый пакет слоев многократно касается диаметра (т.е. линии, проходящей через геометрический центр сотового элемента в (общей) поперечной средней оси сотового элемента плоскости изгиба пакетов слоев), соответственно пересекает его.
Первый пакет слоев и второй пакет слоев электрически изолированы друг от друга. Благодаря этому в одном диске, соответственно в одной плоскости удается реализовать работающие независимо друг от друга нагревательные контуры. Первый пакет слоев электрически соединен с первым источником тока, а второй пакет слоев электрически соединен с (обособленным, соответственно пространственно отдельным) вторым источником тока, и поэтому первый пакет слоев образует первый путь тока, предназначенный для пропускания электрического тока для первого нагревательного контура, а второй пакет слоев образует второй путь тока, предназначенный для пропускания электрического тока для второго нагревательного контура. Благодаря тому, что первый пакет слоев и второй пакет слоев скручены друг с другом, первый нагревательный контур и второй нагревательный контур в основном одинаково распределены по торцевой поверхности сотового элемента. Сказанное означает, в частности, что сотовый элемент может в основном равномерно нагреваться по своей торцевой поверхности первым нагревательным контуром и отдельно от него вторым нагревательным контуром. Помимо этого тепловая мощность первого нагревательного контура и тепловая мощность второго нагревательного контура в предпочтительном варианте могут независимо друг от друга контролироваться и регулироваться первым источником тока и вторым источником тока.
В принципе нагревательный диск не ограничен его выполнением с двумя нагревательными контурами. Более того, нагревательный диск может иметь и более двух пакетов слоев, образующих соответственно более двух независимых нагревательных контуров при использовании отдельного источника тока для каждого из них. Очевидно, что при этом по меньшей мере некоторые из нагревательных контуров могут также использовать общий отрицательный электрод (общий отрицательный полюс, соответственно общую электрическую "массу").
В одном из вариантов осуществления изобретения толщина слоев их первого пакета и толщина слоев их второго пакета различны. Под толщиной слоя в данном контексте подразумевается толщина образующего слои электропроводного материала, прежде всего металла, соответственно фольги. В принципе все слои одного их пакета могут иметь (одинаковую или различающуюся между собой в пакете) толщину, отличную от толщины всех слоев другого пакета, что, однако, может относиться и только к части слоев. Связанное с этим преимущество состоит в возможности подбирать параметры слоев отдельных их пакетов из расчета на обеспечение требуемой тепловой мощности отдельных нагревательных контуров.
В одном из предпочтительных вариантов толщина слоев первого их пакета составляет от 25 до 35 мкм, предпочтительно в основном 30 мкм, а толщина слоев второго их пакета составляет от 35 до 65 мкм, предпочтительно в основном от 40 до 50 мкм. Предпочтительно при этом, чтобы все слои первого их пакета имели (одинаковую) первую толщину, а все слои второго их пакета имели (одинаковую) вторую толщину.
В следующем варианте выполнения предлагаемый в изобретении сотовый элемент отличается тем, что количество слоев первого их пакета отлично от количества слоев второго их пакета. Преимущество этого варианта также состоит в возможности подбирать параметры отдельных пакетов слоев из расчета на обеспечение требуемой тепловой мощности каждого из нагревательных контуров.
В особенно предпочтительном варианте слои первого их пакета и слои второго их пакета имеют по меньшей мере разные структуры или покрытия. В качестве меры, характеризующей различающиеся между собой структуры, при этом можно, например, назвать итоговую плотность расположения каналов, которую можно выбирать, например, в пределах от 160 до 600 каналов на кв.дюйм площади поперечного сечения сотового элемента. Под такими структурами могут подразумеваться, например, отверстия или иные устройства для влияния на протекание тока и/или тепловую мощность по меньшей мере на отдельных участках нагревательного диска.
Еще одним объектом настоящего изобретения является способ нагрева сотового элемента, заключающийся в том, что мощность первого нагревательного контура нагревательного диска устанавливают на величину в пределах от 300 до 500 Вт, предпочтительно от 350 до 450 Вт, особенно предпочтительно в основном на 400 Вт, а мощность второго нагревательного контура нагревательного диска устанавливают на величину в пределах от 500 до 700 Вт, предпочтительно от 550 до 650 Вт, особенно предпочтительно в основном на 600 Вт.
В этом отношении необходимо отметить, что мощность каждого конкретного нагревательного контура можно также согласовывать с той или иной электрической бортовой сетью. Так, в частности, в зависимости от конкретного применения сотового элемента (на легковых или грузовых автомобилях с напряжением электрической бортовой сети 12 В, соответственно 24 В) можно также использовать электрическую мощность в пределах от 1000 до 2000 Вт из расчета на один нагревательный контур.
Помимо этого в изобретении предлагается также автомобиль с по меньшей мере одним предлагаемым в изобретении сотовым элементом, предназначенным для осуществления предлагаемого в изобретении способа.
В одном из особенно предпочтительных вариантов электронагреваемый сотовый элемент имеет (расположенный далее по ходу потока текучей среды (ОГ)) опорный катализатор с плотностью расположения в нем проточных каналов от 300 до 600 каналов на кв. дюйм, с толщиной, образующей его сотовую структуру фольги 40 мкм, и с осевой длиной 120 мм. Нагревательный диск опирается на такой опорный катализатор с торцевой стороны через множество (электрически изолированных) опорных штырей. Обе несущие структуры расположены в общем корпусе.
В первом пакете слоев нагревательного диска плотность расположения проточных каналов составляет 600 каналов на кв.дюйм, толщина образующей слои фольги составляет 30 мкм, осевая толщина (длина) нагревательного диска составляет около 7 мм, количество слоев равно 5, а мощность составляет около 390 Вт. Во втором пакете слоев нагревательного диска плотность расположения проточных каналов составляет 600 каналов на кв.дюйм, толщина образующей слои фольги составляет 40 мкм, осевая толщина (длина) нагревательного диска в осевом направлении составляет около 7 мм, количество слоев равно 6, а тепловая мощность составляет около 600 Вт. Оба пакета слоев скручены друг с другом в основном S-образно, проходят параллельно друг другу (с постоянными зазорами между ними), равномерно перекрывают поперечное сечение потока ОГ и расположены (только) в одном общем цилиндрическом объеме.
Ниже изобретение, а также необходимые для его реализации технические средства более подробно рассмотрены со ссылкой на прилагаемые к описанию чертежи. Необходимо отметить, что на этих чертежах представлены особенно предпочтительные варианты осуществления изобретения, которые, однако, не ограничивают его объем. На прилагаемых к описанию чертежах, которые носят схематичный характер, в частности, показано:
на фиг.1 - первый вид нагреваемого сотового элемента,
на фиг.2 - второй вид нагреваемого сотового элемента,
на фиг.3 - слои нагревательного диска и
на фиг.4 - автомобиль с предлагаемым в изобретении сотовым элементом.
На фиг.1 показан сотовый элемент 1, изображенный со стороны того его торца, который обращен навстречу направлению 19 набегания на него потока ОГ (см. фиг.2). Такой сотовый элемент 1 имеет корпус 15 с первым электродом 16 положительной полярности, вторым электродом 33 положительной полярности и электродом 34 отрицательной полярности. Эти первый электрод 16 положительной полярности, второй электрод 33 положительной полярности и электрод 34 отрицательной полярности электрически изолированы от корпуса 15 и по своему конструктивному исполнению в принципе известны из уровня техники.
В корпусе 15 в основном соосно с ним расположен нагревательный диск 3, который распорными или дистанционными средствами 26 удерживается с зазором от корпуса 15 и электрически изолирован от него. Нагревательный диск 3 образован первым пакетом 4 слоев и вторым пакетом 5 слоев, S-образно скрученными друг с другом. Первый пакет 4 слоев имеет первую складку 27, а второй пакет 5 слоев имеет вторую складку 32, при этом первый пакет 4 слоев сложен вдвое по этой первой складке 27, а второй пакет 5 слоев сложен вдвое по этой второй складке 32. Первая складка 27 и вторая складка 32 проходят в основном параллельно средней оси 35 сотового элемента 1 (см. фиг.2). Начиная от первой складки 27 первого пакета 4 и второй складки 32 второго пакета 5, проходят по две половины сложенного вдвое первого пакета 4 слоев и сложенного вдвое второго пакета 5 слоев, (электрически) соединенные между собой в зоне первой складки 27 и второй складки 32, но в остальном электрически изолированные друг от друга, в данном случае воздушным зазором.
Концы половин сложенного вдвое первого пакета 4 слоев, противоположные его первой складке 27, электрически соединены с первым электродом 16 положительной полярности и с электродом 34 отрицательной полярности. Концы половин сложенного вдвое второго пакета 5 слоев, противоположные его второй складке 32, электрически соединены со вторым электродом 33 положительной полярности и электродом 34 отрицательной полярности. В соответствии с этим первый пакет 4 слоев образует первый путь 8 тока, проходящий от своего первого начала 28 в зоне контакта с первым электродом 16 положительной полярности через первую складку 27 первого пакета 4 слоев до своего первого конца 29 в зоне контакта с электродом 34 отрицательной полярности. Второй же пакет 5 слоев образует второй путь 9 тока, проходящий от своего второго начала 30 в зоне контакта со вторым электродом 33 положительной полярности через вторую складку 32 до своего второго конца 31 в зоне контакта с электродом 34 отрицательной полярности. При этом необходимо отметить, что первый пакет 4 слоев электрически изолирован от второго пакета 5 слоев, в данном случае электрически изолирован от нее воздушным зазором. Первый электрод 16 положительной полярности, контактирующий с первым пакетом 4 слоев, и электрод 34 отрицательной полярности электрически соединены с первым источником 20 тока, и поэтому в первом пакете 4 слоев образуется первый нагревательный контур 10. Второй электрод 33 положительной полярности и электрод 34 отрицательной полярности, контактирующие со вторым пакетом 5 слоев, электрически соединены со вторым источником 21 тока, и поэтому во втором пакете 5 слоев образуется второй нагревательный контур 11.
На фиг.2 нагреваемый сотовый элемент 1 показан в продольном разрезе. Подобный сотовый элемент содержит опорный катализатор 25 длиной 24. На этом опорном катализаторе 25 опорными штырями 17 со стороны, обращенной навстречу направлению 19 набегания потока ОГ, закреплен нагревательный диск 3 толщиной 23. Такой нагревательный диск 3 имеет торцевую поверхность 22, через которую ОГ входят в направлении 19 их набегания в нагреваемый сотовый элемент 1.
На фиг.3 показаны два гладких слоя 6 и один профилированный слой 7, из которых в качестве примера можно формировать первый пакет слоев 4 и второй пакет 5 слоев. Такие гладкие слои 6 и профилированный слой 7 образуют каналы 2, по которым могут проходить ОГ. При этом гладкие слои 6 и профилированный слой 7 имеют толщину 12.
На фиг.4 показан автомобиль 13 с ДВС 18, в идущей от которого системе 14 выпуска ОГ расположен предлагаемый в изобретении электронагреваемый сотовый элемент 1.
Тем самым предлагаемое в изобретении решение позволяет конструктивно простым путем обеспечить равномерный нагрев ОГ, образующихся при работе ДВС, с помощью нескольких независимых нагревательных контуров, объединенных в одном общем нагревательном диске, даже при разной тепловой мощности каждого из них.
Перечень ссылочных обозначений
1
сотовый элемент
2
каналы
3
нагревательный диск
4
первый пакет слоев
5
второй пакет слоев
6
гладкие слои
7
профилированные слои
8
первый путь тока
9
второй путь тока
10
первый нагревательный контур
11
второй нагревательный контур
12
толщина слоя
13
автомобиль
14
система выпуска отработавших газов (ОГ)
15
корпус
16
первый электрод положительной полярности
17
опорные штыри
18
двигатель внутреннего сгорания (ДВС)
19
направление набегания потока
20
первый источник тока
21
второй источник тока
22
торцевая поверхность
23
толщина нагревательного диска
24
длина опорного катализатора
25
опорный катализатор
26
дистанционные средства
27
первая складка
28
первое начало первого пути тока
29
первый конец первого пути тока
30
второе начало второго пути тока
31
второй конец второго пути тока
32
вторая складка
33
второй электрод положительной полярности
34
электрод отрицательной полярности
35
средняя ось