УСТРОЙСТВО С КРУПНЫМ ЭЛЕКТРОНАГРЕВАЕМЫМ СОТОВЫМ ЭЛЕМЕНТОМ
DEVICE WITH LARGE ELECTRICALLY HEATED HONEYCOMB ELEMENT

Настоящее изобретение относится к устройству с электронагреваемым сотовым элементом, который выполнен из образующих каналы листов фольги, электрический ток к которым подводится через кожух. Изобретение предназначено для применения прежде всего в автомобилестроении, где требуются, например, электронагреваемые сотовые элементы диаметром более 200 мм.
За последние 20 лет фирма Emitec Gesellschaft für Emissionstechnologie mbH значительно продвинулась вперед в разработке электронагреваемых металлических сотовых элементов. В этом отношении можно сослаться, например, на публикацию WO 92/02714. В этой публикации описан сотовый элемент, выполненный из расположенных слоями по меньшей мере частично профилированных металлических листов, образующих множество проточных для отработавших газов (ОГ) каналов, которые проходят от одного торца сотового элемента до другого его торца. Помимо этого, такой сотовый элемент имеет несколько проходящих от одного его торца до другого узких зазоров и/или электроизолирующих слоев, которые расположены таким образом, что образуется по меньшей мере один сплошной электропроводный и проходящий в плоскости поперечного сечения путь прохождения электрического тока. Для этого металлические листы одним их концом электрически соединяют с первым контактным выводом, а другим их концом - со вторым контактным выводом. Подобная схема электрического соединения металлических листов прежде всего обеспечивает возможность подвода и отвода электрического тока в основном в одной плоскости.
Несколько иное решение известно также из публикации WO 92/13636. Описанный в этой публикации электронагреваемый сотовый элемент состоит из по меньшей мере двух дисков, которые расположены на расстоянии друг от друга и которые опорными стержнями удерживаются в необходимом положении относительно друг друга. Подобная конструкция позволяет выполнять первый диск с расчетом на его быстрый нагрев проходящими через него ОГ или электрическим током и/или позволяет придавать сотовым элементам достаточную механическую прочность. В указанной публикации прежде всего упоминается также возможность электрического соединения между собой металлических листов в последовательно расположенных дисках опорными стержнями. Так, в частности, в этой публикации предлагается выполнять меандрообразным путь прохождения электрического тока, непрерывно соединяющий отдельные пакеты металлических листов обоих дисков по последовательной схеме.
Несмотря на то что рассмотренные выше решения в основном достаточно хорошо зарекомендовали себя на практике и в настоящее время могут находить самое разнообразное применение, тем не менее существует потребность в имеющих еще более простую конструкцию сотовых элементах, которые даже при больших размерах поперечного сечения, соответственно при большом диаметре (например, при стационарном применении или при применении на транспортных средствах для перевозки пассажиров, грузов и для нетранспортных работ) обеспечивали бы возможность особо равномерного тепловыделения.
Исходя из вышеизложенного в основу настоящего изобретения была положена задача по меньшей мере частично снизить остроту присущих рассмотренному выше уровню техники проблем. Задача изобретения состояла прежде всего в разработке устройства с электронагреваемым сотовым элементом, которое даже при большом диаметре сотового элемента обеспечивало бы равномерный нагрев проходящей через него текучей среды. Помимо этого должна обеспечиваться возможность изготовления подобных сотовых элементов более простым и экономически более эффективным путем.
Указанные задачи решаются с помощью устройства, заявленного в п.1 формулы изобретения. Различные предпочтительные варианты осуществления изобретения представлены в зависимых пунктах формулы изобретения. Необходимо отметить, что представленные в зависимых пунктах формулы изобретения отличительные особенности изобретения могут использоваться в любом технически целесообразном сочетании друг с другом и могут образовывать тем самым другие варианты осуществления изобретения. Другие особенно предпочтительные варианты осуществления изобретения рассмотрены в последующем описании, прежде всего во взаимосвязи с прилагаемыми к нему чертежами.
Предлагаемое в изобретении устройство имеет электронагреваемый сотовый элемент, который выполнен из образующих каналы листов фольги, электрический ток к которым подводится через кожух, который имеет контактный вывод для соединения с источником напряжения и множество расположенных на удалении от контактного вывода мест контакта для электрического соединения с ними листов фольги, а также по одному между контактным выводом и каждым местом контакта контактному электрическому проводнику, при этом все контактные электрические проводники имеют одинаковое электрическое сопротивление.
Каналы в сотовом элементе преимущественно проходят в основном прямолинейно в его осевом направлении. Такие каналы образованы листами по меньшей мере частично профилированной фольги, при этом в предпочтительном варианте листы гладкой и листы профилированной фольги в попеременно чередующемся порядке набраны в пакет. Листы фольги могут иметь выступающие внутрь каналов участки их стенок (потоконаправляющие поверхности и иные аналогичные элементы), равно как и прорези или отверстия, которые могут быть предусмотрены для обеспечения поперечного перемешивания проходящих по каналам частичных потоков ОГ и/или для создания заданного пути прохождения тока.
Кожух обычно представляет собой металлический, в основном трубчатый, корпус. Он выполнен (только) с одним контактным выводом для соединения с источником напряжения. Такой контактный вывод, соответственно так называемый электрод предназначен прежде всего для электрически изолированного подвода тока извне по меньшей мере частично через кожух и тем самым к листам фольги. В качестве источника напряжения используется преимущественно аккумуляторная батарея, рабочее напряжение которой составляет от 12 до 14 В (соответственно кратную им величину, такую как 24, 36 или 42 В).
Кожух имеет, кроме того, множество мест контакта для подвода электрического тока к листам фольги. Сказанное означает, в частности, что электрический ток проходит от контактного вывода через кожух к листам фольги не через единственное место контакта (или непосредственно электрод), а через несколько включенных по параллельной схеме мест контакта. При этом каждое место контакта обычно выполнено в виде отдельного компонента кожуха, и прежде всего места контакта выполнены изолированными друг от друга. Каждое место контакта соединено с контактным выводом соответственно одним контактным электрическим проводником, который также выполнен из электропроводного материала. Контактные электрические проводники выполнены таким образом, что они имеют одинаковое электрическое сопротивление на участке между контактным выводом и соответствующим местом контакта. Сказанное означает, в частности, что контактные электрические проводники проходят на разные расстояния от контактного вывода до мест контакта, т.е. "собственно" должны иметь, соответственно фактически имеют, разную длину.
Тем не менее, однако, в данном случае соблюдается условие, согласно которому все электрические проводники имеют одинаковое электрическое сопротивление, что можно обеспечить, например, путем выполнения контактных электрических проводников из соответствующих материалов путем их выполнения с соответствующими размерами поперечного сечения или путем реализации аналогичных мер. Разность между значениями электрического сопротивления всех контактных электрических проводников прежде всего не должна превышать 10%, предпочтительно 3%, главным образом 1%.
При определенных условиях возможно выполнение по меньшей мере одного контактного электрического проводника по меньшей мере частично длиннее, чем того требует расстояние между контактным выводом и местом контакта с образованием при этом прежде всего своего рода запаса контактного электрического проводника (например, за счет петлеобразного расположения контактного электрического проводника). Вышеописанная мера позволяет с высокой эффективностью обеспечить равномерный подвод тока к листам фольги, а тем самым и равномерный их нагрев в том случае, когда несколько мест контакта по параллельной схеме соединяют с листами фольги.
В одном из предпочтительных вариантов выполнения предлагаемого в изобретении устройства листы фольги набраны во множество пакетов, в каждом из которых листы фольги электрически соединены с одним местом контакта. Сказанное означает, например, что электронагреваемый сотовый элемент в его поперечном сечении образован множеством независимо друг от друга свернутых в рулон пакетов листов фольги, прежде всего по меньшей мере тремя или даже четырьмя пакетами листов фольги, которые прежде всего электрически изолированы друг от друга. Для каждого из таких пакетов листов фольги предусмотрено по единственному месту контакта, с которым электрически соединены все листы фольги такого одного их пакета.
В еще одном предпочтительном варианте выполнения предлагаемого в изобретении устройства листы фольги имеют противоположные концевые участки, которыми они прилегают к кожуху. Сказанное прежде всего относится и к сотовому элементу, образованному множеством пакетов листов фольги. В этом случае листы фольги предпочтительно перегибать однократно, соответственно изгибать с максимальной кривизной, с тем чтобы все концевые участки всех листов фольги располагались с одной стороны пакета, а их изогнутые средние участки располагались с противоположной стороны. Изогнутые подобным образом листы фольги преимущественно расположены в кожухе таким образом, что эти их концевые участки прилегают к кожуху. При этом все концевые участки листов фольги одного их пакета предпочтительно должны прилегать к кожуху таким образом, чтобы между ними не располагались никакие концевые участки листов фольги других пакетов.
В следующем варианте выполнения предлагаемого в изобретении устройства листы фольги имеют внутренний участок, который электрически соединен с электрической "массой". Внутренний участок представляет собой прежде всего тот участок листов фольги, который расположен в основном посередине между их концевыми участками. В том случае когда речь вновь идет о сотовом элементе, состоящем из множества пакетов листов фольги, внутренний участок является тем участком пакета, который расположен напротив концевых участков листов фольги и выполнен с изгибом значительной кривизны. Именно на этом внутреннем участке, т.е., если говорить о пакете листов фольги, на наиболее удаленном от их концевых участков участке (прежде всего в центральной части сотового элемента), листы фольги электрически соединены с электрической "массой". Тем самым образуется путь прохождения тока, который протекает начиная от контактного вывода по контактному электрическому проводнику к соответствующему месту контакта, в нем, например, вводится в отдельный пакет и во все составляющие его листы фольги и затем по листам фольги в конечном итоге протекает к электрической "массе". В этом месте электрический ток отводится из листов фольги.
В этом отношении предпочтительно также, чтобы листы фольги от их места контакта до своего внутреннего участка, который электрически соединен с электрической "массой", имели одинаковое электрическое сопротивление. Соблюдение этого условия обеспечивает не только равномерный подвод электрического тока через кожух к нескольким пакетам листов фольги, но и параллельный и равномерный подвод электрического тока ко всем листам фольги одного их пакета. Тем самым удается получить особо однородное температурное поле, соответственно добиться равномерного тепловыделения.
В еще одном варианте выполнения предлагаемого в изобретении устройства контактные электрические проводники кожуха выполнены в виде покрытия. Для нанесения пригодного для применения в этих целях покрытия, которое прежде всего должно быть электропроводным и стойким к высокотемпературной коррозии, можно использовать, например, метод газопламенного напыления. Такой метод позволяет простым путем наносить покрытие на полностью замкнутый, т.е. не секционированный в окружном направлении, кожух, при этом между контактными электрическими проводниками при необходимости можно нанести, соответственно предусмотреть электроизоляционные слои.
Для повышения в первую очередь жесткости такого электронагреваемого сотового элемента с большим поперечным сечением в еще одном варианте выполнения предлагаемого в изобретении устройства электронагреваемый сотовый элемент со своего торца опирается на дополнительный опорный элемент. Сказанное означает, в частности, что предусмотрены средства, которые воздействуют (только) на один торец электронагреваемого сотового элемента (и при определенных условиях входят в его каналы) и взаимодействуют с опорным элементом, который в предпочтительном варианте расположен в направлении потока ОГ после электронагреваемого сотового элемента. Таким путем уменьшается деформация электронагреваемого сотового элемента, например, вследствие воздействия высоких термических и динамических нагрузок, которые характерны для автомобильных систем выпуска ОГ.
В этом отношении предпочтителен вариант, в котором электронагреваемый сотовый элемент со своего торца опирается на дополнительный опорный элемент и электрически соединен с ним через множество электропроводных контактных стержней. Сказанное означает также, что подвод электрического тока происходит через электронагреваемый сотовый элемент, а отвод электрического тока происходит через опорный элемент, который в конечном итоге соединен с электрической "массой". Тем самым дополнительный опорный элемент также может быть выполнен в виде электронагреваемого сотового элемента. Для обеспечения долговременного и стабильного электрического контакта предпочтительно, чтобы электропроводные контактные стержни по меньшей мере частично входили в каналы сотового элемента и/или в отверстия между витками на внутреннем участке свернутых в рулон пакетов листов фольги и тем самым выполняли обе функции.
Предпочтительно далее предусмотреть возможность соединения нескольких отдельных контактных электрических проводников с источником напряжения через контактный вывод и внешний контрольный блок. Сказанное означает, в частности, что предусмотрена возможность раздельного подвода электрического тока к отдельным пакетам листов фольги через соответствующий контактный электрический проводник, при этом контрольное устройство по мере необходимости регулирует во времени и/или локально подвод тока к по меньшей мере одному пакету листов фольги. Так, например, контактные электрические проводники можно снабдить располагаемыми на кожухе и/или со стороны контрольного блока (прежде всего внешними) средствами для целенаправленного воспрепятствования прохождению электрического тока (например, выключателями и т.д.). Таким путем можно реализовать ориентированный на текущие потребности и энергетически эффективный режим эксплуатации нагревательного устройства. При этом в подобном режиме эксплуатации нагревательного устройства в принципе предпочтительно, чтобы отвод электрического тока происходил в центральной части устройства в соответствии с тем, как это описано выше.
Предлагаемое в изобретении устройство наиболее предпочтительно использовать на автомобиле. Подобный автомобиль, прежде всего автомобиль для перевозки пассажиров, грузов и для нетранспортных работ (грузовой автомобиль, автобус и т.д.) имеет ДВС или сопоставимый с ним привод, образующиеся при работе которого ОГ в конечном итоге подвергают нейтрализации для удаления содержащихся в них вредных веществ и/или термической обработке. С этой целью ОГ можно пропускать через предлагаемое в изобретении устройство. При этом наряду с каталитически активным слоем (находящимся по меньшей мере частично в каналах) такое устройство можно снабжать и другими средствами для обработки ОГ (накопительным слоем, уплотнительными массами и т.д.).
Ниже изобретение и необходимые для его реализации технические средства более подробно рассмотрены со ссылкой на прилагаемые к описанию чертежи. Необходимо отметить, что объем изобретения не ограничен представленными на этих чертежах вариантами его осуществления. На прилагаемых к описанию чертежах, в частности, показано:
на фиг.1 - вид в продольном разрезе предлагаемого в изобретении устройства, выполненного по первому варианту,
на фиг.2 - возможное выполнение автомобильной системы выпуска ОГ,
на фиг.3 - развертка кожуха с несколькими местами контакта,
на фиг.4 - вид в первом поперечном разрезе выполненного по одному из вариантов предлагаемого в изобретении устройства,
на фиг.5 - вид в поперечном разрезе предлагаемого в изобретении устройства, выполненного по второму варианту,
на фиг.6 - выполненное еще по одному варианту предлагаемое в изобретении устройство с установленным за ним опорным элементом.
На фиг.1 схематично в продольном разрезе показано устройство 1 с электронагреваемым сотовым элементом 2 и с расположенным за ним в направлении 32 потока ОГ опорным элементом 23. Расположенный слева на чертеже выполненный более узким, соответственно тонким (10-15 мм) электронагреваемый сотовый элемент 2 заключен в кожух 6 и имеет множество проходящих между его торцами 22 каналов 3. Такой электронагреваемый сотовый элемент 2 снабжен единственным электрическим контактным выводом 7, соединенным с источником 8 напряжения. Контактный вывод 7 имеет первый контактный электрический проводник 12, который проходит до первого места 9 контакта и обеспечивает через него электрическое соединение с сотовым элементом 2. Помимо этого на чертеже показаны еще один контактный электрический проводник и еще одно место контакта, при этом оба контактных электрических проводника имеют одинаковое электрическое сопротивление.
После подачи электрического тока через контактный вывод 7 в электронагреваемый сотовый элемент 2 электрический ток по большой площади протекает через электронагреваемый сотовый элемент 2 и затем проходит в условно показанные на чертеже контактные стержни 24, которые в соответствующем количестве расположены в центральной части и близко друг к другу. Через них электрический ток перетекает в последующий опорный элемент 23, который в конечном итоге соединен с электрической "массой" 21.
Реализованная в рассмотренном выше варианте концепция в принципе может использоваться и в других вариантах, а именно: выполнение электронагреваемого сотового элемента 2 с цельным кожухом 6, т.е. прежде всего возможность избежать выполнения в нем ряда прорезей и/или его выполнения составным из нескольких частей, поскольку отвод тока происходит через расположенный за этим сотовым элементом опорный элемент 23.
На фиг.2 схематично показан возможный вариант выполнения системы 27 выпуска ОГ, которой оборудуется автомобиль 25 (например, грузовой автомобиль), на котором может использоваться предлагаемое в изобретении устройство. Подобный автомобиль 25 обычно имеет привод 26 (например, дизельный двигатель), при работе которого образуются ОГ, которые в направлении 32 своего потока обычно проходят через различные предназначенные для снижения их токсичности устройства (каталитические нейтрализаторы, фильтры, реакторы, адсорберы, нагреватели, смесители и т.д.). В показанной на чертеже системе выпуска ОГ они сначала проходят через выполненный согласно изобретению электронагреваемый сотовый элемент 2, затем через каталитический нейтрализатор 28 и в завершение еще через накопитель 29 (например, оксидов азота, твердых частиц или иных аналогичных веществ). Затем ОГ после такого снижения их токсичности выбрасываются в атмосферу. Для управления работой подобного электронагреваемого сотового элемента можно, кроме того, предусмотреть контрольный блок 30 (например, автомобильную систему управления или иное аналогичное устройство управления), который, например, на основании данных о режиме работы привода 26 и/или на основании данных от предусмотренных в системе 27 выпуска ОГ датчиков 31 позволяет подавать электрический ток на электронагреваемый сотовый элемент 2 в требуемые промежутки времени. Очевидно, что показанная на чертеже система 27 выпуска ОГ является лишь схематичной и может использоваться в любых сочетаниях с другими устройствами для снижения токсичности ОГ и/или может дополняться ими.
На фиг.3 для пояснения в развернутом виде, т.е. в основном в развертке на плоскости, показан кожух 6. Расположенный в данном случае посередине контактный вывод 7 объединяет между собой первый контактный электрический проводник 12, второй контактный электрический проводник 13 и третий контактный электрический проводник 14. Каждый из этих контактных электрических проводников 12, 13, 14 проходит отдельно от других соответственно до первого места 9 контакта, второго места 10 контакта и третьего места 11 контакта. При этом каждое место контакта отстоит на разное расстояние 33 от единственного контактного вывода 7. Поскольку контактные электрические проводники имеют разную длину, их, например, выполняют с разным поперечным сечением (что условно обозначено на чертеже линиями разной толщины), с тем чтобы все контактные электрические проводники имели одинаковое электрическое сопротивление. Из приведенного на фиг.3 изображения также следует, что отдельные места контакта могут располагаться в разных положениях в окружном направлении 35 кожуха 6 и/или по его длине 34 (в осевом направлении).
На фиг.4 схематично в виде в плане показано выполненное еще по одному варианту предлагаемое в изобретении устройство с электронагреваемым сотовым элементом 2. Сотовый элемент 2 образован множеством листов гладкой 4 фольги и профилированной фольги 5, которые образуют между собой каналы 3. Из приведенного на чертеже изображения в виде с торца следует, что сотовый элемент 2 образован свертыванием в рулон первого пакета 15, второго пакета 16 и третьего пакета 17 листов фольги. Каждый такой пакет набран из множества листов гладкой фольги 4 и профилированной фольги 5, концевые участки которых обращены к кожуху, а их внутренний участок с изгибом расположен в центральной части сотового элемента. Помимо этого между отдельными пакетами листов фольги предусмотрена изоляция 37.
В показанном на чертеже варианте электрический ток подводится и отводится в основном в одной плоскости, в связи с чем кожух при необходимости выполнен из нескольких частей. На чертеже в качестве примера обозначен путь 36 прохождения тока (пунктирная линия) для первого пакета 15 листов фольги. В соответствии с этим электрический ток от источника 8 напряжения проходит по первому контактному электрическому проводнику 12 до первого места 9 контакта и в нем вводится в листы фольги. Тем самым электрический ток проходит по листам фольги от одного их концевого участка до центрального участка и затем возвращается к их противоположному концевому участку, соединенному с электрической "массой" 21. Через оба других пакета листов фольги электрический ток проходит аналогичным образом. Подача электрического тока инициируется общим контрольным блоком 30, который при этом может регулировать прохождение тока через пакеты листов фольги (при необходимости по отдельности и/или независимо друг от друга).
На фиг.5 в виде с торца показан выполненный еще по одному варианту электронагреваемый сотовый элемент 2 с цельным трубчатым кожухом 6. В данном случае электрический ток подается через контактный вывод 7 на кожухе 6 с по меньшей мере частичной электрической изоляцией. По контактным электрическим проводникам, которые могут быть, например, нанесены в виде покрытия путем напыления, электрический ток протекает к каждому из мест 9, 10, 11 контакта. Сотовый элемент 2 выполнен из трех пакетов листов фольги, при этом на чертеже в качестве примера обозначен только первый пакет 15 листов фольги. Этот первый пакет 15 также набран из листов фольги, расположение которых в данном случае таково, что они своими первыми концевыми участками 18 и своими вторыми концевыми участками 19 доходят до кожуха 6 и имеют внутренний участок 20, который расположен вблизи центра 38. В зоне, где находится внутренний участок 20 листов фольги, предусмотрено по множеству контактных стержней 24, которые обеспечивают возможность дальнейшего прохождения электрического тока в расположенную за ними плоскость, например, к опорному элементу 23 и тем самым в конечном итоге обеспечивают электрическое соединение с обозначенной на чертеже лишь условно электрической "массой" 21.
На фиг.6 представлен конкретный вариант выполнения предлагаемого в изобретении устройства 1, изображенного в разрезе. Этот вариант служит прежде всего для иллюстрации размерных пропорций, характерных, например, для электронагреваемых сотовых элементам 2 большого диаметра 39. Диаметр 39 при этом прежде всего составляет по меньшей мере 200 мм, однако может также составлять более 500 мм или даже 1 м. ОГ, образующиеся, например, при работе дизельного двигателя грузового автомобиля, проходят в направлении 32 их потока к входной стороне 22 электронагреваемого сотового элемента 2. В этом месте поток ОГ разделяется на множество частичных потоков ОГ, которые затем по отдельности проходят через каналы сотового элемента. В рассматриваемом варианте электронагреваемый сотовый элемент 2 также (электрически изолированно) расположен в кожухе 6. Электронагреваемый сотовый элемент 2, помещенный в кожух 6, при этом изолирован от него, при этом одновременно к сотовому элементу 2 через контактный вывод 7 осуществляется электрически изолированный подвод электрического тока. При этом образуется путь 36 прохождения тока (пунктирная линия), который по большой площади протекает через сотовый элемент 2, который при этом из-за своего электрического сопротивления нагревается. Выделяющееся при таком нагреве электронагреваемого сотового элемента 2 тепло может передаваться проходящему через него потоку ОГ в различных целях.
После прохождения через сотовый элемент 2 электрический ток через расположенные в центре 38 контактные стержни 24 вводится в расположенный далее опорный элемент 23. Через этот опорный элемент 23 электрический ток отводится к электрической "массе" 21. Электронагреваемый сотовый элемент 2 фиксируется при этом с торца в определенном положении с небольшим зазором от опорного элемента 23 не только контактными стержнями 24, но и дополнительно (электрически изолированными) опорными стержнями 40.