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CN116529464A - 用于流体处理系统的电能催化剂加热器 - Google Patents

用于流体处理系统的电能催化剂加热器 Download PDF

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CN116529464A
CN116529464A CN202180080003.9A CN202180080003A CN116529464A CN 116529464 A CN116529464 A CN 116529464A CN 202180080003 A CN202180080003 A CN 202180080003A CN 116529464 A CN116529464 A CN 116529464A
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CN
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heater
heater assembly
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walls
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T·A·柯林斯
D·R·海涅
A·T·希恩徳
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Original Assignee
Corning Inc
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Abstract

加热器装配件包括具有包含多个交叉壁的单体式蜂窝结构的加热器主体。壁具有厚度且以轴向方向延伸从而形成了以轴向从第一端面延伸到第二端面的蜂窝结构的多个孔道。第一电极连接到加热器主体。第二电极连接到加热器主体。在第一电极与第二电极之间的壁上限定了载流路径。多个开口延伸穿过至少一些壁的厚度。还公开了流体处理系统、流体处理方法和加热器装配件制造方法。

Description

用于流体处理系统的电能催化剂加热器
背景技术
本申请根据35U.S.C.§119，要求2020年11月30日提交的美国临时申请系列第63/119029号的优先权权益，本文以其内容作为基础并将其全文通过引用结合于此。
1.技术领域
本公开内容涉及流体处理系统(例如，废气后处理系统)，更具体来说，涉及辅助用于流体处理的加热器装配件(例如，用于废气后处理系统中的催化剂活化的电能加热器)。
2.背景技术
一些流体处理系统(例如，发动机废气后处理系统)可以受益于来自补充加热器供给的额外热量。此类系统的例子包括电加热催化剂(EHC)系统，其具有可用于快速实现足以引发发动机的后处理中的催化剂材料活化的温度的电能加热器。
发明内容
在一些实施方式中，加热器装配件包括：包含单体式蜂窝结构的加热器主体，所述单体式蜂窝结构包含多个交叉壁，其中，壁具有厚度且以轴向方向延伸从而形成以轴向从第一端面延伸到第二端面的蜂窝结构的多个孔道；连接到加热器主体的第一电极；连接到加热器主体的第二电极，其中，在第一电极与第二电极之间的壁上限定了载流路径；以及延伸穿过至少一些壁的厚度的多个开口。
在一些实施方式中，加热器装配件还包括多个绝缘槽(insulating slot)，每个在加热器主体的至少一部分上横向延伸并且干扰了载流路径。
在一些实施方式中，绝缘槽是通过缺乏沿着槽的交叉壁形成的。
在一些实施方式中，开口包括具有上游侧和下游侧的形状(相对于通过加热器主体的气体流动而言)，其中，上游侧的第一横向尺度宽于下游侧的第二横向尺度。
在一些实施方式中，开口包括这样的形状，其在靠近该形状的上游侧的上游轴向半部分中的流动面积大于靠近该形状的下游侧的下游轴向半部分。
在一些实施方式中，开口分别包括具有逐渐变小端部的形状。
在一些实施方式中，逐渐变小端部是形状的下游侧，相对于通过加热器主体的气体流动而言。
在一些实施方式中，逐渐变小端部是三角形、梯形、半圆形或者半椭圆形。
在一些实施方式中，形状包括上游端的矩形部分以及下游端的三角形部分。
在一些实施方式中，形状是五边形。
在一些实施方式中，通道具有被壁的多个网部分包围的横截面形状，每个网部分在壁之间的交叉处之间延伸。
在一些实施方式中，孔道的横截面形状是正方形。
在一些实施方式中，每个孔道被交叉壁的多个区段包围，以及其中，加热器主体包括壁的每个区段中的开口中的至少一个。
在一些实施方式中，每个孔道被交叉壁的多个区段包围，以及其中，加热器主体包括在包围每个孔道的壁的至少一些区段中的多个开口。
在一些实施方式中，至少一些区段包括开口中的至少两个的行。
在一些实施方式中，至少一些区段包括沿着区段轴向间隔开的开口的列。
在一些实施方式中，至少一些区段包括开口的阵列，其中，阵列包括多排和多列。
在一些实施方式中，孔道的至少一个子组被交叉壁的多个区段包围，其中，每个孔道的所述多个区段至少包括第一壁区段和第二壁区段，其中，第一壁区段和第二壁区段这两者分别包括开口中的至少一个，以及其中，第一壁区段中的所述至少一个开口没有与第二壁区段中的任何开口轴向对准。
在一些实施方式中，第一壁区段中的所述至少一个开口包括沿着第一壁区段彼此轴向间隔开的第一组开口，其中，第二壁区段中的所述至少一个开口包括沿着第二壁区段彼此轴向间隔开的第二组开口，以及其中，所述第一组开口相对于所述第二组开口是轴向对准的。
在一些实施方式中，第一壁区段中的所述至少一个开口包括沿着第一壁区段彼此轴向间隔开的第一组开口，其中，第二壁区段中的所述至少一个开口包括沿着第二壁区段彼此轴向间隔开的第二组开口，以及其中，所述第一组开口相对于所述第二组开口是轴向偏离的。
在一些实施方式中，孔道子组中的孔道的横截面形状是矩形，以及第一壁区段与第二壁区段是相对布置的侧。
在一些实施方式中，轴向间隔开的开口的至少第一相邻对之间的第一轴向距离不等于轴向间隔开的开口的至少第二相邻对之间的第二轴向距离。
在一些实施方式中，加热器主体布置成碟。
在一些实施方式中，流体处理系统包括彼此流体连通的任一前述段落的加热器装配件与陶瓷蜂窝体。
在一些实施方式中，陶瓷蜂窝体布置成催化剂基材或微粒过滤器。
在一些实施方式中，流体处理系统是废气后处理系统。
在一些实施方式中，用任意前述段落的流体处理系统对流体进行处理的方法包括：在加热器装配件的电极上施加电压电势，作为电流流动通过电极之间的载流路径的结果在加热器主体中产生热量；通过加热器主体产生的热量对气流进行加热以增加气流的温度；以及然后用气流加热陶瓷蜂窝体。
在一些实施方式中，陶瓷蜂窝体包括催化剂材料，以及加热陶瓷蜂窝体包括引发催化剂材料点燃至催化剂材料变得具有催化活性的温度。
在一些实施方式中，用于加热器装配件的单体式加热器主体的制造方法包括：形成多个交叉壁，其中，壁具有厚度且以轴向方向延伸从而形成从第一端面轴向延伸到第二端面的蜂窝结构的多个孔道；以及形成延伸穿过至少一些壁的厚度的多个开口。
在一些实施方式中，方法包括将第一电极连接到加热器主体以及将第二电极连接到加热器主体，从而在第一与第二电极之间的交叉壁上产生载流路径。
在一些实施方式中，方法包括形成横向延伸进入到加热器主体中的一个或多个绝缘槽，其中，绝缘槽干扰了电流流动从而导致载流路径具有蛇形形状。
在一些实施方式中，交叉壁和所述多个开口是通过增材式制造工艺同时形成的。
在一些实施方式中，增材式制造工艺包括三维打印。
要理解的是，上面的一般性描述和下面的详细描述都仅仅是示例性的，用来提供理解所要求保护的主题的性质和特点的总体评述或框架。所附附图提供了进一步理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图说明了本发明的一个或多个实施方式，并与说明书一起用来解释各种实施方式的原理和操作。
附图说明
图1显示根据本文公开的一个实施方式的加热器装配件的端面。
图2A是图1的加热器装配件的横截面图，大致沿着线2A-2A截取，显示了形成通过加热器装配件的交叉壁的多个开口。
图2B是图2A大致所示区域的放大图，更详细地显示了开口中的一个。
图2C示意性显示根据本文公开的一个实施方式的由用于加热器装配件的蜂窝结构的交叉壁的多个区段形成的单个孔道。
图3示意性显示根据本文公开的一个实施方式的包含加热器装配件的流体处理系统(例如，废气后处理系统)。
图4A-4D显示根据本文公开的各种实施方式的交叉壁中的开口的替代形状。
图5A-5C显示根据本文公开的各种实施方式的在交叉壁中布置开口的图案。
图6A-6B是显示根据本文所述各种例子的在交叉壁中形成和没有形成开口的加热器装配件的加热性能图。
具体实施方式
现在将详细参考示例性实施方式，这些实施方式在附图中示出。只要有可能，在所有附图中使用相同的附图标记来表示相同或类似的部件。附图中的组件不一定是成比例的，相反地，进行了突出强调来显示示例性实施方式的原理。
本领域技术人员以及利用和使用本公开内容的人会进行本公开内容的改进。因此，要理解的是，附图所示和本文所述的实施方式仅仅是示意性目的而不是旨在限制本公开内容的范围，本公开内容的范围由所附权利要求书所限定，根据专利法的原理解读为包括等同原则。
如本文所用，术语“约”表示量、尺寸、制剂、参数和其他变量和特性不是也不需要是确切的，而是可以按照需要是近似的和/或更大或更小的，反映了容差、转换因子、舍入和测量误差等，以及本领域技术人员已知的其他因素。当使用术语“约”来描述范围的值或端点时，应理解本公开内容也包括所参考的具体值或者端点。
本文所用的方向术语，例如上、下、左、右、前、后、顶、底，仅仅是参照绘制的附图而言，并不用来表示绝对的取向。
用于发动机废气后处理的催化体系可以经由来自进行处理的废气的热量对于催化剂材料的被动加热实现足以使得催化剂材料活化(即，“点燃”)的温度。或者，电加热催化剂(EHC)系统使用主动加热方案，其中，部分通过供给电能(例如，直接加热承载催化剂的基材和/或加热与承载催化剂基材流体连通的分开的加热器)提升了催化剂温度。例如，EHC系统可以包括与催化剂基材流体连通的加热器(例如，电阻加热器)，或者催化剂基材可以包括导电材料并直接供给电能源来引起基材壁的电阻加热。EHC系统中的电能也可以使用除了电阻加热之外的加热类型，例如感应加热。
EHC系统中的加热器(具体来说，电阻加热器)可以布置成具有大致蜂窝图案的交叉壁，其限定了在加热器的相对面之间轴向延伸的孔道阵列。壁材料可以是导电的，例如：金属、导电陶瓷或复合材料，从而当电流流动通过壁(例如，在连接到加热器的一对电极之间)时，导电壁经受电阻(焦耳)加热。
加热器可以包括交叉壁的蜂窝结构，其限定了以轴向(纵向)方向延伸的孔道阵列。根据本文公开的实施方式，加热器包括横向穿过壁的轴向延伸表面的开口。换言之，开口以横穿引导穿过壁，例如垂直于轴向方向。如本文所述，这些开口有利地减小了加热器的质量，这对于减少加热器抵达其最大温度所需要的时间会是有用的。此外，通过减少壁中的材料量，开口还增加了通过壁的载流路径的电阻，这有利地实现了载流路径的总长度减小。例如，通过增加壁的电阻并从而减小载流路径所需长度，壁的厚度可以增加和/或可以实践采用更少、更小或更短的横向延伸绝缘槽，这导致加热器的整体强度增加。当加热器用于发动机废气后处理的EHC系统中的时候，强度增加会是特别有利的，因为此类加热器可能需要在许多年中经受苛刻环境和重复温度循环。此外，与通过加热器的气流方向大致呈横向(即，与穿过加热器的轴线方向呈横向)的开口有利地起到了打断穿过壁的空气流动的作用，从而增加了气流与壁之间的相互作用，这改善了达到气流的热传输。
现参见图1，显示加热器装配件10包括连接在一对电极14之间的加热器主体12。每个电极14可以布置成或者包含一个或多个导电组件，例如电线、电丝线、电杆、电板或者其他电连接件。电极14(或其部分)可以以任意合适方式连接到加热器主体12，例如与交叉壁16作为整体(单体式)形成，例如经由同一增材式制造工艺，或者作为分开的组件固定到或者连接到加热器主体12。加热器主体12包括单体式(单个整体形成组件的)蜂窝结构，其通过多个交叉壁16形成，限定了轴向延伸穿过加热器主体的多个孔道18。通过由导电材料(例如，金属或者导电陶瓷)形成壁16，在电极14上施加电压之后壁16会经受电阻加热。在图1-3中包含了笛卡尔坐标系的x、y和z轴(如果适用的话)，以帮助指示这些附图及其组件相对于彼此的取向。
根据本文公开内容，加热器装配件10可以包含作为流体处理系统(例如，如图3所述的废气后处理系统100)的一部分。在这个实施方式中，加热器装配件10布置成与废气管104内的催化剂承载主体102(例如，催化转化器的催化剂承载基材)流体连通。在一些实施方式中，主体12布置成包含堵塞式蜂窝体的微粒过滤器。例如，主体102可以包括承载一种或多种催化剂材料的多孔陶瓷蜂窝体。如本文所述，加热器装配件10可以布置成提供热量来引发主体102上承载的催化剂材料的点燃。加热器装配件10还可以辅助其他过程，例如微粒过滤器再生。
如图3所示，电极14可以连接到能源106从而提供加热器装配件10运行所需的电能。例如，加热器装配件10可以布置成将气流25(显示为箭头)(例如，来自内燃机的废气流)加热到随着气流25流动通过主体102当气流25加热主体102的时候足以引发点燃的温度。在一些实施方式中，加热器装配件10布置成将气流25加热到至少800℃、至少900℃或者甚至1000℃的温度。作为补充和/或替代，加热器主体12可以相对于主体102放置(例如，上游或下游)从而为主体102提供辐射加热。
加热器主体12的电阻(R)取决于电流穿过的壁16的几何和材料参数。因此，为了有助于获得电阻，加热器主体12的壁16可以布置成如下图案，例如包含其中存在其上不承载电流的壁的区域，从而设定电极14之间的载流路径22的长度。例如，如图1所示，加热器主体12包括在加热器主体12上横向(所示x方向)延伸的多个绝缘槽20。例如，可以通过不存在交叉壁(即，其中没有交叉壁16的间隙)来形成绝缘槽20。或者替代或补充，槽20可以填充电绝缘材料，例如不导电陶瓷或者其他材料。
通过这种方式，槽20干扰了电极14之间的电流流动。也就是说，由此槽20导致电流替代性地横向(所示的x方向)来回移动以载流路径22(图1中仅显示了一部分)为蛇形图案的方式穿过加热器主体12，如果不存在绝缘槽20的话，则电流会基本上以直线(所示的y方向)在电极14之间移动。因此，通过这种方式，可以对槽20的数量、长度和宽度进行选择，通过改变载流路径22的长度来设定加热器主体电阻。在图1中，存在13个槽20，它们从相对侧交替延伸横向进入到加热器主体12中。可以包含任意数量的槽20来设定载流路径22的总长度。
图2A是横向穿过且沿着最中心的一个槽20截取的加热器主体12的横截面图。由于沿着槽20的长度(在那里没有交叉壁16)截取了横截面，所以在图2A的横截面中，仅在槽20的端部显示了壁16和孔道18(相对于图2A的取向，朝向加热器主体12的左手侧)。壁16具有厚度‘t’(x和y方向这两者都是如此，然而在图2A中取向中仅显示了x方向)。如图2A所示，加热器主体12具有轴向长度L(z方向)，其在相对端面24a与24b(本文可能统称为“端面24”)之间轴向延伸。图2A呈现了代表性气流25，其方向是轴向(z方向)从第一端面24a到第二端面24b，从而第一端面24a可以视为入口或上游端面以及第二端面24b可以视为出口或下游端面。因而，当加热器装配件10运行时，加热器主体12的轴线方向对应于气流25的方向，并且还对应于图1-3中所示的坐标系的z方向。
如图2A以及如图2B和2C的放大图更详细所示，加热器主体12包括壁16中的开口26。更具体来说，开口26形成在壁16的轴向延伸的表面中(以z方向延伸的表面，例如具有如图2A所示的轴向长度L)，因而开口26穿孔或穿透通过壁16的厚度t(x方向和y方向)。换言之，开口26以垂直于轴向方向(例如，z方向)的方向(例如，x或y方向)延伸穿过壁16，并且由此开口26的方向是以垂直于气流25的方向(z方向)穿过16。
在图2A的实施方式中，一些最靠外的孔道18(靠近加热器主体12的外圆周)不包含开口26。更具体来说，由于电流优先流动通过最短可行路径，最靠外孔道对于加热没有明显的贡献作用，所以靠近外周的壁16可以保持实心(没有开口26)从而在没有明显影响加热性能的情况下增加加热器主体12的强度。
可以在限定了每个孔道18的壁16中形成任意数量的开口26。例如，图2C示意性显示作为单个的孔道18中的一个，其在所示的实施方式中被壁16的四个网或区段28a-28d所限定，在角落处相交具有正方形形状。提供的壁区段28a-28d仅仅是一个例子，并且因此在任意(所示或未示出)的实施方式中的壁区段可以统称为和/或一般性地称作壁区段28。在替代实施方式中，孔道18可以是圆形或者椭圆形(例如，被单个连续的壁区段28所限定)，三角形(例如，被3个壁区段28所限定)，六边形(例如，被6个壁区段28所限定)，八边形(例如，被8个壁区段28所限定)，或者任何其他形状。
无论孔道18的形状如何，壁16限定了孔道18的区段(例如，图2C的区段28a-28d)可以具有形成穿过其的任意数量的开口26。例如，在图2A中，限定了孔道18的每个壁区段具有2乘4阵列的总计8个开口26(两列和四行)。也就是说，对于每个壁区段，图2A中的开口26布置成4排(排沿着轴向或者z方向依次间隔开)2个开口的阵列。在图2C中，每个壁区段(28a-28d)具有总计4个开口26(2乘2阵列)，图2C中的开口26布置成对于每个壁区段28a-28d为两排，每排两个开口。在一些实施方式中，至少一些壁区段28仅具有单个开口26，或者单列轴向间隔开的开口26。在一些实施方式中，在一些区域中(例如，朝向加热器主体12的中心)具有更高密度的开口26(每单位表面积壁16的开口26数量)，从而增加那些区域中的电阻并由此增加产生的热量。
在一些实施方式中，每个壁区段28具有相同数量的形成穿过其的开口26，而在其他实施方式中，不同的壁区段28具有不同数量的开口26。例如，在一些实施方式中，例如如图2A所示，靠近槽20的端部的壁16(电流流动通过其限定了载流路径22的蛇形图案)在其中包含的开口26的数量较少(例如没有开口26)，这是相比于与槽20的长度对齐的壁26的区段而言。
在一些实施方式中，每个壁区段28的全部和/或整个加热器主体12的全部的开口26全都是相同尺寸和/或形状。在一些实施方式中，在不同壁区段28中的开口26是不同尺寸和/或形状，例如由加热器主体12中的不同位置所确定。在一些实施方式中，平行于槽20的横向方向延伸的壁区段28(例如，以x方向延伸的壁区段，例如图2C中的壁区段28b和28d)所具有的开口26的布置不同于以垂直于槽20的横向方向延伸的壁区段28(例如，以y方向延伸的壁区段，例如图2C中的壁区段28a和28c)，例如不同的尺寸、形状、取向、图案和/或数量。例如，虽然图2C显示每个壁区段28具有开口26，但是在一些实施方式中，仅以平行于槽20的方向延伸的部分壁16(即，壁区段28b和28d)具有开口26。在一些实施方式中，单个壁区段28中的一些开口26的尺寸或形状不同于该壁区段28中的其他开口26。在一些实施方式中，限定了相邻孔道18的壁区段28交替地具有不同数量、形状、尺寸、图案或取向的开口26。
图1-2C所示的开口26具有大致五边形(5个侧边)形状，但是也可以是其他形状，例如：圆形、椭圆形、矩形、正方形、三角形以及其他多边形，包括这些形状的组合。然而，如本文进一步讨论的，本文发明人发现类似于相比于上游侧而言在下游侧更宽(具有更大的横向尺寸，例如x方向或y方向上)的形状(相对于气流25的方向)提供了出乎意料的优异结果。例如，如图2A、2C以及5A-5C所示，加热器装配件10相对于气流25取向成使得五边形形状开口26的逐渐变小的尖端指向气流25。换言之，五边形形状开口26的逐渐变小的尖端瞄准的方向与气流25的方向是相反的(相对于彼此旋转180°)。除此之外，具有逐渐变小的端部的五边形或者其他形状特别适合形成用于增材式制造工艺(例如，粉末床熔合或者其他三维打印工艺)的单体式蜂窝结构，因为逐渐变小的形状通常在打印过程中为每个后续打印层提供了逐渐增加的支撑量。
图2B显示开口26的一种示例性形状，开口26在开口26的上游侧30所具有的第一横向尺度(例如，第一宽度)W1大于在开口26的下游侧32的第二横向尺度(例如，第二宽度)W2。在这个例子中，第二尺度W2近似为单点，在那里，五边形形状的逐渐变小的边缘会合，但是在其他实施方式中，第二尺寸W2可以比单点大(例如，梯形形状，如图4C的例子所示)。
作为对其形状的上游和下游边缘的轴向极端处的具体横向尺度的测量的替代，在一些实施方式中，开口26的形状在形状的上游半部分的流通面积大于在形状的下游半部分的流通面积。作为替代和/或补充，在一些实施方式中，开口26的形状的最大横向尺度(例如，x方向或y方向上)位于形状的上游半部分，以及形状从该最大尺度朝向下游侧是逐渐变小的。例如，在一些实施方式中，开口26的形状在上游侧30是弯曲的，然后朝向下游侧32逐渐变小，例如泪滴形状(参见图4D的例子)。例如，从图2B可以看出，相对于上游侧30与下游侧32之间的轴向中点处绘制的中心线而言，开口26的形状在形状的上游半部分(以轴向而言，从上游侧30到中心线)的面积大于形状的下游半部分(以轴向而言，从中心线到下游边缘32)。此外，最大横向尺度(在图2B的例子中，这是尺度W1)位于形状的上游半部分，然后其在形状的下游半部分逐渐变小。
图4A-4D显示了开口26的额外形状例子，例如：图4A中的拱门形状(在下游侧32为圆形以及在上游侧30为矩形)，图4B中的三角形形状，图4C中的梯形形状，以及图4D中的泪滴形状。在这些例子的每一个中，最大横向尺度都是在形状的上游半部分，从而形状朝向上游侧相比于下游侧具有更大的流通面积。
虽然在图2A和3的实施方式中，每排中的开口26是大致对齐且沿着轴向方向等间距的，但是开口26可以布置成其他图案，例如相对于图5A-5C所示的那样。更具体来说，图5A-5C分别显示同一个孔道18的两种不同壁，例如图2C的相对布置的壁28b和28d(没有显示在壁28b与28d之间互联的另外两个壁区段)。然而，本文所述的开口26的图案不限于相对布置的壁，从而本文所述的图案可适用于任意两组或更多组的不同壁区段，例如同一个孔道或者不同孔道的不同壁区段。此外，作为不同壁区段的替代，本文所述的图案也可适用于同一个壁区段28中的不同列的开口26(例如，图2C的每个壁区段中的轴向相邻的开口列对)。
因此，图5A显示具有类似于图2A和3的图案的实施方式，其中，每个壁中的开口26是轴向对齐的。例如，可以相对于显示在每个开口26上的共用位置中的参照线来确定图5A中的开口26的对齐情况。也就是说，图5A-5C中的每个开口26显示为五边形形状，其作为矩形底座与逐渐变小三角形尖端的组合，每个矩形底座显示了中心线。如图5A所示，开口26轴向对齐，从而使得开口26的形状的中心线是共线的。此外，在图5A中，开口26是沿着壁区段28一致性地轴向间隔开的。例如，在图5A中，最左边与中间开口26之间以及中间与最右边开口26之间的轴向距离是相同的，因而这两个间距都表示为具有轴向距离d1。
图5B显示的实施方式中，在孔道18的不同壁区段28(例如限定了矩形或正方形孔道的相对布置的壁区段28b和28d)中的开口26是轴向交错的。例如，在图5B中，壁区段28b中的开口26相对于壁区段28d中的开口26是轴向未对准或者轴向交错的，如图5B显示为中心线并非共线。相反地，壁区段28d中的每个开口26与壁区段28b中的开口26间隔开了轴向距离d2。然而，类似于图5A，图5B的实施方式中的每个壁区段28中的开口26相对于彼此一致性地间隔开一致的轴向距离d1。
图5C显示另一个实施方式，其中，沿着壁区段28的长度，轴向相邻的开口26之间的轴向间距是变化的。例如，图5C显示这样的例子，其中，第一对轴向相邻的开口26间隔第一轴向距离d3，以及第二对轴向相邻的开口26间隔不同于距离d3的第二轴向距离d4。虽然相邻开口26之间的轴向间距是变化的，但是类似于图5A，两个壁区段28b和28d中的开口5A是轴向对齐的，显示为开口26的形状的中心线是共线的。在一些实施方式中，布置了图5B与5C的实施方式的组合，其中，每个壁区段中的轴向相邻开口26之间的间距是变化的，以及其中，不同壁区段28中的开口26彼此是轴向未对准的(即，孔道的第一壁区段中的开口26相对于该孔道的第二壁区段中的开口是轴向未对准或轴向交错的)。
如相对于图5B所讨论的那样，以交错图案布置开口26还可以有助于增加流动混合。例如，交错或轴向偏离的开口26导致由壁摩擦所产生的不均等的压力，因为相对于对齐孔(图5A)而言，孔26是偏离的(图5B)。作为补充或替代，可以布置变化的轴向间距(图5C)来改变流动混合。例如，开口26布置的图案可以使得加热器主体12靠近上游或入口端面24a的上游部分具有较低密度的开口26(每单位表面积的壁16具有更少的开口26，和/或相对于图5C而言，距离d3长于距离d4)，从而为加热器主体12的上游部分处的电流提供了更高的流动横截面面积，因而可以实现略微更高的功率。通过这种方式，可以进一步改善传热效率并且由于达到气流的传热增加进一步降低了最大温度。
对开口26以及开口26的形状和取向的影响进行研究。在第一项研究中，采用建模来首先确定大致根据相对于图1和2A所述蜂窝设计但是在任意交叉壁中没有开口26形成的给定几何形貌的第一加热器装配件(“实施例1”)的电阻和对应功率输出。然后将来自第一加热器装配件(“实施例1”)的电阻和输出功率用作目标参数接下来确定第二加热器装配件(“实施例2”)能够实现相同电阻和输出功率参数的对应几何形貌，所述第二加热器装配件沿着绝缘槽的长度每个壁区段具有八个开口26(如图1和2A所示和所述)。因此，将实施例2的加热器装配件的尺度设定为匹配实施例1的功率输出。实施例1和2中的加热器主体分别用Inconel 625建模。表1总结了这两种建模加热器(表示为实施例1和2)的目标参数、对应加热器几何形貌以及其他所得到的性能变量。表1：具有和不具有开口的加热器所能够实现目标性质的几何形貌以及所得到的加热器性能参数
如表1所总结的，实施例1的加热器主体(没有开口26的加热器装配件)建模为近似361个孔道每平方英寸(cpsi)的孔道密度，近似8密耳的壁厚度(类似于图2A的壁厚度t)，17个横向延伸的绝缘槽(类似于图1的槽20)，以及0.21英寸的轴向长度(类似于图2A的轴向长度L)。实施例1的加热器主体的质量约为60g。
当在电极上施加48V电势时(对应于近似0.385欧姆的电阻)，实施例1的设计传递了约6kW的功率。将这些参数用作目标数值从而确定在其壁16中包含开口26且能够实现这些目标参数的实施例2的几何形貌。如本文所述，所有其他参数保持恒定的情况下，包含开口26会增加加热器的电阻。因此，在实施例2中，通过相对于实施例1的加热器主体中的该尺度拉伸实施例2的加热器主体的轴向长度(参见图2A的轴向长度L)来实现目标电阻和输出功率参数。要注意的是，作为替代，可以增加实施例2中除了轴向长度之外的尺度，例如，加热器主体的壁厚度(例如，图2A的壁厚度t)，来实现与实施例1相同的加热器电阻。此外，由于包含开口26降低了载流路径的横截面面积，能够将绝缘槽的数量(参见图1的绝缘槽20)从实施例1中的17个减少到实施例2中的仅13个。表1还总结得到，尽管实施例2的加热器主体的轴向长度增加，但是热质量能够从实施例1的60g下降到实施例2中的约为54g，同时仍然实现目标电阻和输出功率参数。
热质量下降与实施例2的加热器装配件的更快的加热时间直接相关，表现为表1中的时间常数的数值。时间常数数值的计算单位是秒(s)，是热质量(mCp)除以传热效率(THC)与总表面积(TSA)的乘积，热质量是质量(m)与热容(Cp)的乘积。大体上来说，更小的时间常数数值(表1计算的那样)表明更多的能量传输加热气流，因而更快速的气流加热。
如表1所总结的那样，发现实施例2的加热器装配件的传热效率相比于实施例1得到明显增加，即，作为开口26所实现的更好的流动混合的结果。可以通过传热系数(HTC)乘以壁16的总表面积(TSA)(即，HTC*TSA)来确定传热效率。实施例2的传热效率改善至少部分是由于如下原因实现的：开口26破坏了通过孔道18和/或通过槽20的气流中边界层的形成，以及增加了相邻孔道18和槽20之间气流的流动混合(来自任意给定孔道18和/或槽20的流可以流动通过开口26进入一个或多个相邻的孔道18和/或槽20)。存在开口26还有助于离开槽20的流动再分配，从而在实施例2中最高至70％(以质量计)的气流通过通道，而相比较而言在实施例1中仅54％。
图6A和6B分别显示对于加热器主体的温度以及对于气流(例如，气流25)的温度的加热对比(温度与时间的关系)。如图6A-6B所示，实施例2的加热器装配件实现了更快的加热器主体加热(例如，由于更低的热质量)与气流加热(例如，由于加热器与气流之间的优异传热)的组合优势。此外，为了防止由于过热导致的破坏，为加热器设定1000℃的目标值作为最大温度，并且实施例2的加热器装配件至少部分由于其改进的传热效率(流动混合)实现了这个情况。相比较而言，实施例1的加热器装配件对于加热器主体和气流这两者的加热都更为缓慢，并且由于其相对不能有效地将热量传输给气流超过了目标最大温度。
对本领域的技术人员而言，显而易见的是可以在不背离所要求保护的主题的精神或范围的情况下作出各种修改和变动。因此，除了所附权利要求书及其等价形式外，所要求保护的主题不受限制。

Claims (33)

1.一种加热器装配件，其包括：
加热器主体，其包括包含多个交叉壁的单体式蜂窝结构，其中，壁具有厚度以及以轴向方向延伸从而形成了以轴向从第一端面延伸到第二端面的蜂窝结构的多个孔道；
连接到加热器主体的第一电极；
连接到加热器主体的第二电极，其中，在第一电极与第二电极之间的壁上限定了载流路径；以及
延伸穿过至少一些壁的厚度的多个开口。
2.如权利要求1所述的加热器装配件，其还包括多个绝缘槽，每个在加热器主体的至少一部分上横向延伸并且干扰了载流路径。
3.如权利要求1-2中任一项所述的加热器装配件，其中，通过不存在沿着槽的交叉壁来形成绝缘槽。
4.如权利要求1-3中任一项所述的加热器装配件，其中，开口包括具有上游侧和下游侧的形状，相对于通过加热器主体的气体流动而言，其中，上游侧的第一横向尺度宽于下游侧的第二横向尺度。
5.如权利要求1所述的加热器装配件，其中，开口包括这样的形状，其在靠近该形状的上游侧的上游轴向半部分中的流动面积大于靠近该形状的下游侧的下游轴向半部分。
6.如权利要求1所述的加热器装配件，其中，开口分别包括具有逐渐变小端部的形状。
7.如权利要求6所述的加热器装配件，其中，逐渐变小端部是形状的下游侧，相对于通过加热器主体的气体流动而言。
8.如权利要求6-7中任一项所述的加热器装配件，其中，逐渐变小端部是三角形、梯形、半圆形或者半椭圆形。
9.如权利要求4-8中任一项所述的加热器装配件，其中，形状包括上游端部处的矩形部分以及下游端部处的三角形部分。
10.如权利要求4-9中任一项所述的加热器装配件，其中，形状是五边形。
11.如权利要求1-10中任一项所述的加热器装配件，其中，通道具有被壁的多个网部分包围的横截面形状，每个网部分在壁之间的交叉处之间延伸。
12.如权利要求1-11中任一项所述的加热器装配件，其中，孔道的横截面形状是正方形。
13.如权利要求1-12中任一项所述的加热器装配件，其中，每个孔道被交叉壁的多个区段包围，以及其中，加热器主体包括壁的每个区段中的开口中的至少一个。
14.如权利要求1-12中任一项所述的加热器装配件，其中，每个孔道被交叉壁的多个区段包围，以及其中，加热器主体包括在包围每个孔道的壁的至少一些区段中的多个开口。
15.如权利要求13-14中任一项所述的加热器装配件，其中，至少一些区段包括开口中的至少两个的行。
16.如权利要求13-15中任一项所述的加热器装配件，其中，至少一些区段包括沿着区段轴向间隔开的开口的列。
17.如权利要求13-16中任一项所述的加热器装配件，其中，至少一些区段包括开口的阵列，其中，阵列包括多排和多列。
18.如权利要求1-17中任一项所述的加热器装配件，其中，孔道的至少一个子组被交叉壁的多个区段包围，其中，每个孔道的所述多个区段至少包括第一壁区段和第二壁区段，其中，第一壁区段和第二壁区段这两者分别包括开口中的至少一个，以及其中，第一壁区段中的所述至少一个开口没有与第二壁区段中的任何开口轴向对准。
19.如权利要求18所述的加热器装配件，其中，第一壁区段中的所述至少一个开口包括沿着第一壁区段彼此轴向间隔开的第一组开口，其中，第二壁区段中的所述至少一个开口包括沿着第二壁区段彼此轴向间隔开的第二组开口，以及其中，所述第一组开口相对于所述第二组开口是轴向对准的。
20.如权利要求18所述的加热器装配件，其中，第一壁区段中的所述至少一个开口包括沿着第一壁区段彼此轴向间隔开的第一组开口，其中，第二壁区段中的所述至少一个开口包括沿着第二壁区段彼此轴向间隔开的第二组开口，以及其中，所述第一组开口相对于所述第二组开口是轴向偏离的。
21.如权利要求18-20中任一项所述的加热器装配件，其中，孔道子组中的孔道的横截面形状是矩形，以及第一壁区段与第二壁区段是相对布置的侧。
22.如权利要求1-21中任一项所述的加热器装配件，其中，轴向间隔开的开口的至少第一相邻对之间的第一轴向距离不等于轴向间隔开的开口的至少第二相邻对之间的第二轴向距离。
23.如权利要求1-22中任一项所述的加热器装配件，其中，加热器主体布置成碟。
24.一种流体处理系统，其包括彼此流体连通的权利要求1-23中任一项所述的加热器装配件与陶瓷蜂窝体。
25.如权利要求24所述的流体处理系统，其中，陶瓷蜂窝体布置成催化剂基材或微粒过滤器。
26.如权利要求24或25所述的流体处理系统，其中，流体处理系统是废气后处理系统。
27.一种用权利要求24-26中任一项所述的流体处理系统对流体进行处理的方法，其包括：
在加热器装配件的电极上施加电压电势，作为电流流动通过电极之间的载流路径的结果在加热器主体中产生热量；
通过加热器主体产生的热量对气流进行加热以增加气流的温度；以及然后用气流加热陶瓷蜂窝体。
28.如权利要求27所述的方法，其中，陶瓷蜂窝体包括催化剂材料，以及加热陶瓷蜂窝体包括引发催化剂材料点燃至催化剂材料变得具有催化活性的温度。
29.一种制造用于加热器装配件的单体式加热器主体的方法，该方法包括：
形成多个交叉壁，其中，壁具有厚度以及以轴向方向延伸从而形成了以轴向从第一端面延伸到第二端面的蜂窝结构的多个孔道；以及
形成延伸穿过至少一些壁的厚度的多个开口。
30.如权利要求29中任一项所述的方法，其中，该方法包括将第一电极连接到加热器主体以及将第二电极连接到加热器主体，从而在第一与第二电极之间的交叉壁上产生载流路径。
31.如权利要求30所述的方法，其包括形成横向延伸进入到加热器主体中的一个或多个绝缘槽，其中，绝缘槽干扰了电流流动从而导致载流路径具有蛇形形状。
32.如权利要求29-31中任一项所述的方法，其中，交叉壁和所述多个开口是通过增材式制造工艺同时形成的。
33.如权利要求32所述的方法，其中，增材式制造工艺包括三维打印。
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