用具有径向壁的蜂窝体电加热催化剂的系统和方法与流程

用具有径向壁的蜂窝体电加热催化剂的系统和方法
相关申请的交叉引用
1.本技术根据35u.s.c.
§
120要求于2019年9月16日提交的美国临时申请序列第62/900,984号的优先权，本技术基于该临时申请的内容并且该临时申请的内容通过引用以其整体并入本文。


背景技术：

2.本技术总体上涉及用于加热催化剂(诸如催化转化器组件的基底上的催化剂)的电加热器，并且具体而言，涉及包括径向蜂窝结构的电加热器。


技术实现要素：

3.下文提到的所有示例和特征都可以用技术上可行的方式进行组合。
4.在一些方面中，提供了电加热器。电加热器包括：蜂窝体，该蜂窝体包括蜂窝结构，该蜂窝结构包括穿过其中纵向延伸的中心轴和多个互连壁，其中互连壁包括多个径向壁和多个角向壁，每个径向壁至少部分沿蜂窝体的中心轴和最外周之间的蜂窝体的半径延伸，该多个角向壁相对于中心轴同心布置并在径向壁之间跨越；以及由互连壁限定的多个单元；设置在中心轴处的第一电极；以及被设置在中心轴的径向外侧的第二电极，该第二电极经由定位于第一电极和第二电极之间的一个或多个相交壁与第一电极电气连通。
5.在一些实施例中，多个角向壁的径向连续角向壁之间的径向距离在径向接近蜂窝体的外周时减小，以使得每个单元的水力直径基本相似。
6.在一些实施例中，多个单元的第一组在与中心轴直接相邻的第一区中，其中多个单元的第二组被设置在第一区径向外侧的第二区中，其中多个单元的第一集合中的每个单元的第一水力直径小于多个单元的第二集合中的每个单元的第二水力直径。
7.在一些实施例中，多个单元中的第一单元的每个径向壁相对于多个单元中与第一单元径向相邻的第二单元的径向壁成角度地偏移。
8.在一些实施例中，蜂窝体包括通过过渡角向壁与第二电阻区分隔的第一电阻区，其中第一电阻区包括比第二电阻区更少的的径向壁，第一电阻区比第二电阻区更靠近中心轴定位，并且第一电阻区和第二电阻区两者都定位在第一和第二电极之间。
9.在一些实施例中，第一电阻区和第二电阻区由过渡角向壁和第一电极、第二电极、或第二过渡角向壁中的一者界定。
10.在一些实施例中，第一电阻区的径向壁比第二电阻区的径向壁成比例地更厚，以使得，当在第一电极和第二电极之间承载电流时，由第一电阻区的每个径向壁生成的热量和由第二电阻区的每个径向壁生成的热量基本相同。
11.在一些实施例中，第一电阻区的径向壁比第二电阻区的径向壁成比例地更短，以使得，当在第一电极和第二电极之间承载电流时，由第一电阻区的每个径向壁生成的热量和由第二电阻区的每个径向壁生成的热量基本相同。
12.在一些实施例中，第一电阻区的径向壁比第二电阻区的径向壁轴向成比例地更
长，以使得，当在第一电极和第二电极之间承载电流时，由第一电阻区的每个径向壁生成的热量和由第二电阻区的每个径向壁生成的热量基本相同。
13.在一些实施例中，径向壁比角向壁厚。
14.在一些实施例中，第二电极被设置在围绕蜂窝结构外围设置的外皮处。
15.在一些方面中，提供了排气处理系统。排气处理系统包括根据上述任一者的电加热器和定位于电加热器下游的排气处理装置。
16.在一些实施例中，排气处理装置包括负载有催化材料的基底、微粒过滤器、或其组合。
17.在一些方面，提供了加热催化剂的方法。该方法包括以下步骤：跨位于蜂窝体中心轴的第一电极和位于蜂窝体上的从第一电极径向向外的第二电极施加电势差，其中蜂窝体包括多个相交壁，该多个相交壁包括多个径向壁和多个角向壁，每个径向壁至少部分沿着蜂窝体的半径在蜂窝体的中心轴和最外周之间延伸，多个径向壁中的至少一些径向壁围绕中心轴成角度地彼此间隔，该多个径向壁相对于中心轴同心布置并在径向壁之间跨越，其中，电势差产生流经位于第一电极和第二电极之间的相交壁的电流，该电流在相交壁中生成电阻加热。
18.在一些实施例中，多个单元的各单元的径向尺寸对于径向接近蜂窝体外周的每个后续径向相邻的单元减小，使得每个单元的水力直径基本相似。
19.在一些实施例中，多个单元的第一集合被围绕中心轴设置，其中多个单元的第二集合被围绕第一集合设置，其中多个单元的第一集合的每个单元的第一水力直径小于多个单元的第二集合的每个单元的第二水力直径。
20.在一些实施例中，多个单元的第一子集中的每个单元的一个或多个径向壁分别相对于多个单元中与第一子集径向相邻的第二子集中的每个单元的径向壁成角度地偏移。
21.在一些实施例中，单元的第二子集与中心轴分离多个角向壁中的至少两个角向壁。
22.在一些实施例中，蜂窝体包括通过过渡角向壁与第二电阻区分隔的第一电阻区，其中第一电阻区包括比第二电阻区更少的径向壁，第一电阻区比第二电阻区更靠近中心轴定位，并且第一电阻区和第二电阻区两者都定位在第一和第二电极之间。
23.在一些实施例中，第一电阻区的径向壁比第二电阻区的径向壁厚，以使得第一电阻区和第二电阻区的等效电阻基本相似。
24.在一些实施例中，第一电阻区的径向壁比第二电阻区的径向壁更短，以使得，当在第一电极和第二电极之间承载电流时，由第一电阻区的每个径向壁生成的热量和由第二电阻区的每个径向壁生成的热量基本相同。
25.在一些实施例中，第一电阻区的径向壁比第二电阻区的径向壁轴向更长，以使得，当在第一电极和第二电极之间承载电流时，由第一电阻区的每个径向壁生成的热量和由第二电阻区的每个径向壁生成的热量基本相同。
26.在一些实施例中，径向壁比角向壁厚。
27.在一些实施例中，第二电极被设置在围绕外围设置的外皮处。
28.在一些实施例中，催化剂装载在相交壁上。
29.在一些实施例中，该方法进一步包括用加热器加热流体流动，以及用流体流动加
热催化剂。
30.在以下所附附图和描述中阐述一个或多个实施方式的细节。根据说明书和附图以及根据权利要求书，其他特征、目的以及优点将显而易见。
附图说明
31.图1描绘了根据示例的具有径向蜂窝结构的电加热器的部分截面图。
32.图2描绘了根据示例的电加热器的透视图。
33.图3描绘了根据示例的电加热器的径向壁的等效电阻。
34.图4a描绘了根据示例的电加热器的径向壁和角向壁的简化的部分截面图。
35.图4b描绘了根据示例的电加热器的径向壁的等效电阻。
36.图5描绘了根据示例的电加热器的径向壁和角向壁的简化的部分截面图。
37.图6描绘了根据示例的电加热器的径向壁和角向壁的简化的轴向截面图。
38.图7描绘了根据示例的具有径向蜂窝结构的电加热器的截面图。
39.图8描绘了根据示例的电加热器的加热分布。
40.图9描绘了根据示例的具有径向错列(staggered)单元的电加热器的截面图。
41.图10描绘了根据示例的具有径向错列单元的电加热器的部分截面图。
42.图11描绘了根据示例的具有径向错列单元的电加热器的加热分布。
43.图12描绘了根据示例的在接近外周处具有径向错列单元的电加热器的截面图。
44.图13描绘了根据示例的具有径向错列单元和增厚径向壁的电加热器的加热分布。
45.图14描绘了根据示例的具有仅覆盖外皮的部分的外围电极的电加热器的加热分布。
具体实施方式
46.一些催化转化器依靠发动机排气的热量来激活催化剂，以便开始处理车辆排放。然而，在一些车辆中，总排放的很大一部分可能会在车辆启动后立刻发生，但此时催化剂仍然是冷却的。本文公开的实施例涉及主动加热系统和方法，其使用电加热元件来补充发动机排气的现有热量，从而能够进一步减少车辆排放，尤其是在车辆冷启动后。
47.用于主动加热排气的一种此类方法是经由电加热催化剂(ehc)系统，该系统通过从电池(例如，车辆的电池)供电来提高催化剂温度，从而向催化转化器提供热量。然而，电加热催化剂的设计受到各种问题的影响，诸如不同程度的不均匀加热分布，这会降低性能并降低电能使用效率。
48.图1示出了用于加热催化剂的示例电加热器100的横截面八分圆。电加热器100包括蜂窝体101，该蜂窝体101包括径向腹板(web)蜂窝结构102、位于蜂窝结构102的中心轴c处的中心电极104，以及至少一个外围电极106，该外围电极106被配置为使电流流过由蜂窝结构102构成的互连腹板或互连壁的阵列。互连壁包括多个径向壁108和多个角向壁110，它们共同限定了纵向延伸穿过蜂窝体101的多个单元或通道112。
49.当在中央电极104和外围电极106之间施加电势时，外围电极106可被设置成使电流流过位于电极104和106之间的径向壁108中的至少一些径向壁108。因此，外围电极106可被设置在外皮114处(围绕蜂窝结构102的外周设置)，或者可以嵌入在外皮114下方的适合
于诱导电流流过径向腹板108中的至少一子集的位置(例如，在蜂窝结构的外周处)。蜂窝结构102可由导电材料组成，诸如金属、导电陶瓷、或其组合。导电材料可具有电阻，以使得由于跨中央电极104与外围电极106施加电势所导致的电流的传导在蜂窝结构102的壁108、110中生成热量。施加到中央电极104和外围电极106的电势可以由任何合适的电压源形成，并且在替代示例中可以是dc电压(例如，由电池形成)或ac电压。
50.蜂窝体101的蜂窝结构102可以例如通过挤出模具将陶瓷成型材料挤压成坯体，然后将其切割、干燥并烧制成最终的陶瓷蜂窝体来形成。替代地，蜂窝结构可以通过加性(additive)加工操作(例如，诸如三维打印)或减性(subtractive)加工操作(例如，电火花加工、电化学加工等)形成。如果选择的陶瓷材料电阻太大，无法提供有效的电阻加热，则可以用导体(诸如金属)掺杂陶瓷材料，以增加陶瓷的导电性。在替代示例中，蜂窝结构可以完全由金属而不是陶瓷材料形成，或者可以由导电陶瓷材料形成。
51.在示例中，多个径向腹板108在蜂窝结构的中心轴c和外周之间径向延伸(例如，延伸到外皮114)，并且可以一起限定多个径向壁116。当多个径向腹板108从中心轴c向外周延伸时，成角度相邻的径向壁108将彼此发散，从而增加蜂窝体101周边处的相邻壁108之间的角距离。多个角向壁110相对于中心轴c同心地延伸，使得每个角向壁110是沿中心轴长度方向相对于中心轴等距的弧。共同限定围绕中心轴c同心布置的多个角向壁110。径向壁108中的至少一子集可终止于外皮114，与外皮114的内表面形成正交接头120。在示例中，径向壁108中的一些(例如，径向壁108a)可以几乎完全延伸蜂窝结构102的中心轴c与外皮114之间的径向距离，而其他径向壁108(例如，径向壁108b)仅延伸穿过蜂窝结构102的一个或多个节段。
52.为了在例如蜂窝结构102的径向内部和外部之间保持大致均匀的单元密度(例如，每平方英寸的单元数量)，径向壁108的数量在不同的径向位置处不同。在一些实施例中，蜂窝结构包括位于沿蜂窝结构102半径的选定点处的单元过渡件124，相对于单元过渡件124的径向壁的数量在靠近中心轴c的径向距离处减少。在这些单元过渡件124处，径向壁108的数量、以及因此角向壁每单位长度的单元数量在单元过渡件的相对的径向侧是不同的。例如，单元的数量可以减少指定的数量，诸如减少1/2、1/3、或1/4(例如，或翻倍、翻三倍、翻四倍)或任何其他合适的量。图1示出了实施例，其中在径向地向内移动的每个单元过渡件124处，单元112的数量减半。例如，图1的八分圆中的单元过渡件124a的径向向内侧上的单元112的数量是2，而图1的八分圆中的单元过渡124a的径向向外尺寸上的单元112的数量是4。类似地，径向向外移动，在图1的八分圆的单元过渡124b的相对侧，单元112的数量从4翻倍到8。每个单元过渡件124可以由位于每个指定径向距离处的角向壁110中的特定一个角向壁来限定，该角向壁被称为过渡角向壁126，并在图1中为清楚起见予以强调。
53.单元过渡件124可以将蜂窝结构102划分为多个电阻区128。每个电阻区128可包括多个单元112，并且在其侧面由单元过渡件124和/或过渡角向壁中的一者、由中心电极104、由皮114、和/或由外围电极106径向界定。例如，电阻区128a在一侧上由单元过渡件124a径向界定，并且在另一侧上由中心电极104径向界定。类似地，电阻区128d在一侧上由单元过渡件124c径向界定，并且在另一侧上由单元过渡件124d径向界定。虽然图1中描绘了四个单元过渡件和五个电阻区，但电加热器100可包括其他数量的单元过渡件，从而将蜂窝结构划分为相应数量的电阻区128。
54.为了在电阻区128中的每一者中保持单元112横截面积的均匀性，每个单元的径向尺寸(或径向长度)(即，形成每个单元的径向相邻角向壁110之间的距离)可以在距离中心轴c的不同径向距离处改变。例如，图1示出了位于同一电阻区中但与中心轴c的径向距离不同的两个不同单元112的径向尺寸d1和d2，这说明径向尺寸在径向地接近皮114时减小。通过这种方式减小单元112的径向尺寸可用于补偿单元112的角向加宽，该角向加宽是由成角度相邻的径向壁108在从蜂窝结构102的中心轴c辐射时在其之间的角向发散引起的。通过这种方式，在一些实施例中，可以改变单元的径向和角度尺寸，以便在蜂窝结构102的整个面上保持单元112的大致均匀的水力直径。在一些实施例中，在蜂窝结构102的整个面上，单元112的水力直径彼此在
±
35％的变化范围内。
55.图2描绘了电加热器100的透视图，示出了纵向延伸穿过电加热器100的中心轴c，以及被设置在蜂窝结构102的外皮114上的外围电极106。虽然图1和图2的示例被示为具有对应于旋转轴的中心轴c的右圆柱形外部形状，但在替代示例中，电加热器100可以是其他形状，诸如具有椭圆形横截面的形状。在此类实施例中，蜂窝结构可以相对于多个中心轴布置，例如，相对于椭圆形状的每个焦点布置一个蜂窝结构，该蜂窝结构具有从每个焦点辐射的径向壁。
56.电加热器100被配置为在气体从入口面130流向出口面132时加热气流。蜂窝结构102可涂有催化剂，以与气体成分(例如，发动机排气流中的污染物)反应，和/或催化剂可被包括在单独的下游处理装置(例如，装载有催化剂的蜂窝基底)上，该下游处理装置通过接近加热器100加热，并且在气流被电加热器100加热后通过该气流加热。外围电极可覆盖外皮114的圆周的整体或仅部分，如可适用于将电流引导至加热器100的部分，并如将结合图14更详细地讨论的。
57.如图2中所示，加热器100可被设置在排气处理装置133(诸如催化基底、微粒过滤器或部分过滤器)的上游。与加热器100类似，排气处理装置133可包括蜂窝体，该蜂窝体包括围绕蜂窝结构137的外皮135。例如，排气处理装置133可以例如通过挤出模具将陶瓷成型材料挤压成坯体，然后将其切割、干燥并烧制成最终的陶瓷蜂窝体来形成。陶瓷成型材料可包括无机物(例如氧化铝、二氧化硅等)、粘合剂(例如，甲基纤维素)、成孔剂(例如，淀粉、石墨、树脂)、液体载体(例如，水)、烧结助剂、或有助于制造最终陶瓷蜂窝体的任何其他添加剂。最终陶瓷蜂窝体可包括堇青石、钛酸铝、氧化铝、莫来石、碳化硅、和/或其他陶瓷材料，或其组合。
58.排气处理装置133的蜂窝结构137可包括多个相交壁，从而形成多个毗连单元。排气处理装置133的单元中的至少一子集在排气处理装置133的相对端面139、141之间轴向延伸，以限定气体可以流过的一组通道。因此，入口面139可以经由通道与出口面141流体连通，使得入射到入口端面139上的气体流过由单元和排气出口面141形成的通道。
59.排气处理装置133的单元在横截面上可以形成任何合适的形状，包括例如正方形、矩形、三角形或六角形。排气处理装置133的单元不需要与加热器100的单元112具有相同的形状或尺寸。实际上，排气处理装置133的单元可以更大或更小，每平方英寸具有与加热器100的单元112不同的单元(cpsi)，和/或横截面形状不同。蜂窝结构137可以浸渍或涂覆催化剂，当由加热器100加热时(例如，通过靠近加热器100和/或间接地由加热器100加热的排气流加热)，催化剂激活以与排气反应。在一些实施例中，只有电加热器100装载有催化材
料，只有排气处理装置装载有催化材料，或者加热器100和排气处理装置133都装载有催化材料。
60.加热器100中生成的电流用于加热流过排气处理装置133的气流，例如，车辆排气流。因此，加热器100加热排气处理装置133的催化剂。在一些实施例中，加热器100相对于排气处理装置133制成特定尺寸，使得加热器100相较于排气处理装置133将相对较快地加热。例如，与轴向长度为6英寸的排气处理装置133一起使用的加热器的轴向长度可以在约四分之一英寸到一英寸之间。如果加热器100和排气处理装置133由不同的材料和/或以不同的单元几何形状构成，则加热器100和排气处理装置133可以被挤压成单独的蜂窝体。然而，在一些实施例中，加热器100和排气处理装置133可以通过挤压单个蜂窝体(例如，导电陶瓷材料的蜂窝体)并将电极104、106直接施加到该单个蜂窝体上来进行组合。在此类实施例中，电极可以被布置成仅跨越该单个蜂窝体的轴向长度的一部分。
61.如上所述，在图1的中心电极104和外围电极106之间施加的电势使电流从中心电极径向流向外围电极106(在替代示例中，由于在中心电极104和外围电极106之间施加的相反电势，电流可以从外围电极106流向中心电极104)。然而，在每个单元过渡件124处，电流将在被设置在单元过渡件124外侧的附加平行径向壁108之间被划分。如果在单元过渡件124的径向外侧上的径向壁108的数量相对于单元过渡件124的内侧翻倍，则单元过渡件124径向外侧的等效电阻是单元过渡124径向内侧等效电阻的一半(假设径向壁和角径壁的所有其他方面相等)。所得的等效电阻中的下降将在单元过渡件的径向外侧所生成的热量中产生相对应的下降，导致在具有更多平行径向壁108的电阻区中产生不期望的不均匀热分布。
62.图3示意性地描绘了在单元过渡件(例如，相对于单元过渡件124c的电阻区128c)处径向内电阻区的径向壁108a到径向外电阻区(例如，相对于单元过渡件124c的电阻区128d)的径向壁108b、108c的等效电阻。如所示出的，在该示例中，每个径向壁108的电阻r基本相等。然而，行进通过每个径向壁108b、108c的电流i/2是行进通过径向壁108a的电流i的一半，因为电流在径向壁108b和108c之间被相等划分。因此，外电阻区128的径向壁108b、108c生成的热量将是内电阻区的径向壁108a生成的热量的四分之一。这可通过以下等式展示：q
内部
＝(i)2*r
ꢀꢀ
(1)其中，q
内部
是内电阻区的径向壁108a生成的热量，q
外部
是外电阻区的每个径向壁108b、108c生成的热量(热量生成的等式与每个径向壁108中耗散的功率的等式相同)。
63.为了缓解每个单元过渡件124处的电阻下降，通过相对于外电阻区128来改变内电阻区128的径向壁108的电阻，可以修改单元过渡件124的径向内侧的电阻区128，以生成与单元过渡件124的径向外侧的电阻区相等的热量。关于图4a-图6讨论了示例。
64.图4a示出了针对给定的一个单元过渡件124，根据相对于外电阻区128改变内电阻区128的径向壁108的电阻的第一种方法的单元过渡件124和径向壁108a-108d中的一者的简化部分截面图。关于图4a中描绘的单元过渡件124的部分，径向壁108a被设置在内电阻区128中，而径向壁108b、108c和108d被设置在外电阻区128中。在该示例中，尽管针对一个径
向壁108a示出了三个径向壁108d、108c、108d，但该示例使每个单元过渡件124外侧的径向壁108d的数量增加了一倍。
65.如图4a所示，为了改变径向壁108的电阻，单元过渡件124内侧的壁厚增加，以使得单元过渡件任一侧的热量生成基本相似。例如，如果(但针对径向壁108的厚度的增加)单元过渡件124外侧的每个径向壁108将生成单元过渡件124内侧径向壁108热量的四分之一，则单元过渡件124内侧的电阻区128的径向壁108的厚度可以相对于过渡件区域124外侧的每个径向壁的厚度增加至四倍。这在图4a中示出，其中位于所描绘的单元过渡件124内侧的径向壁108a的厚度表示为4x，并且位于单元过渡件124外侧的径向壁108b-108d的厚度表示为x。如图4b所示，径向壁108a由于其厚度而将具有某个值r的电阻，因而径向壁108的电阻为4r。因此，位于单元过渡件124内侧的径向壁108a的热耗散将由等式(1)给出。然而，由于径向壁108b-108c将接收流过径向壁108的电流的一半，因此位于单元过渡件124外侧的每个径向壁108b-108c生成的热量可由等式(3)给出：因此，在每个径向壁108处生成的热量将基本相似，从而在整个电阻区128中促进均匀的热量分布。
66.实现均匀加热所需的厚度部分地取决于外电阻区128中径向壁108的数量与内电阻区128中径向壁108的数量之比。一般来说，如果径向壁108的所有其他方面相等，则根据每个径向壁108的热量生成的等式，内电阻区128的径向壁108的相对厚度将等于外电阻区128的径向壁108的数量与内电阻区128的径向壁108的数量之比的平方的倒数。因此，如果单元过渡件124外侧的径向壁108是单元过渡件124内侧的径向壁108数量的三倍，则单元过渡件124内侧的径向壁108的厚度应为单元过渡件124外侧的径向壁108的厚度的九倍。更一般地，由于径向壁108的其他方面可以改变(例如，长度、轴向长度、材料等)，内电阻区128的径向壁108的相对厚度的厚度将等于流过单元过渡件124外侧的每个径向壁108的电流与流过单元过渡件124内侧的每个径向壁108的电流之比的平方的倒数。因此，在图4a和4b的示例中，由于一半电流流过径向壁108b-108d，径向壁108a的厚度是径向壁108b-108d的厚度的四倍。
67.图5示出了针对给定的单元过渡件124，根据相对于外电阻区128改变内电阻区128的径向壁108的电阻的第二实施例的单元过渡件124和径向壁108a-108d的简化部分截面图。根据第二实施例，单元过渡件124内侧的径向壁108的长度缩短，使得单元过渡件124内侧的每个径向壁108a的电阻是单元过渡件124外侧的每个径向壁108b-108d的电阻的某一分数。该示例修改径向壁108的长度，以改变每个径向壁108的电阻——每个径向壁108的电阻将随长度增加。例如，如果径向壁108在外侧的单元过渡件124处增加一倍，则单元过渡件124内侧的径向壁108可以缩短为单元过渡件124外侧的径向壁108长度的四分之一。因此，如图5所示，单元过渡件124内侧的径向壁108a为长度l，单元过渡件外侧的径向壁108为长度4l。因此，回到图1的示例，如果遵循该实施例，例如，电阻区128c的径向壁的长度将被修改为电阻区128d的径向壁108的长度的四倍。与图4b的示例类似，单元过渡件124内侧的径向壁108a的电阻将为电阻r，而单元过渡件124外侧的每个径向壁108b-108d的电阻将各为电阻4r。因此，由每个电阻区128生成的热量可以通过等式(1)和等式(3)计算，并且因此将
相等。无论每个单元过渡件124内侧的径向壁108的数量与每个单元过渡件124外侧的径向壁108的数量之比如何，为了实现第二实施例，可以使单元过渡件124内侧的径向壁108的长度等于流经单元过渡件124外侧的每个径向壁108的电流与流经单元过渡件124内侧的每个径向壁108的电流之比的平方的倒数。
68.在第三实施例中，如图6(在沿中心轴c并且将电加热器100的入口面130一分为二的平面上截取的横截面)中所示，与图2中所示的圆柱形相反，蜂窝一般以锥形布置。例如，蜂窝体的壁的轴向长度朝着中心轴c增加，并朝着蜂窝结构102的外周逐渐减少。因此，与中心电极104直接相邻的蜂窝结构的轴向长度最长，其长度表示为l1，而在中心电极104和蜂窝结构的外周之间的中点处，轴向长度减小到l2。最后，靠近外周时，轴向长度已减小至其最短长度l3。与图4和图5的示例类似，该示例减小了蜂窝体朝向中心轴c的等效电阻。在替代示例中，轴向长度可以在例如每个单元过渡124处逐步改变，而不是逐渐减小。因此，转到图1，在替代示例中，电阻区128c中的壁的轴向长度可以是电阻区128c中的壁的长度的四倍。因此，与图4a-图5的示例类似，单元过渡件124内侧的径向壁108的电阻将为电阻r，而单元过渡件124外侧的每个径向壁的电阻将为电阻4r。因此，对于被设置在内电阻区128中的径向壁108，可以通过等式(1)计算每个径向壁生成的热量，并且对于被设置在外电阻区128中的径向壁108，可以通过等式(3)计算每个径向壁生成的热量，并且因此将相等。在轴向长度在每个电阻区128处不同的示例中，每个电阻区128的相对轴向长度可以类似地计算为流过单元过渡件124外侧的每个径向壁108的电流与流过单元过渡件124内侧的每个径向壁108的电流之比的平方的倒数。
69.结合图4a-图6所述的任何实施例可以以任何合适的组合实现。例如，电阻区128c可以是电阻区128d的两倍厚和一半长，而不是将电阻区128c修改为电阻区128d的四倍厚或四分之一长，从而产生如图4a-图6的各个示例的相同等效电阻。因此，图4a-图4b的示例可以与图5的示例和/或图6的示例结合。类似地，图5的示例可以与图6的示例结合。
70.此外，每个电阻区128的厚度、长度、和/或轴向长度可以在特定电阻区128内变化，以实现所期望的热量分布。例如，如果电阻区128的特定区域接收到的排气比另一区域(例如，加热器100周边附近的区域)少，则位于该区域内的径向壁108的厚度可以变薄，以便相对于电阻区128和/或蜂窝结构102的其余部分增加该特定区域生成的热量。结合对本公开的查看，本领域普通技术人员将理解如何进行此类修改，以考虑非均匀排气流或可能影响加热器100的热量分布的加热器100结构之外的其他因素。
71.在一些实施例中，如图7中所示，为了消除不同的电阻区128，移除单元过渡件124，并且因此可能简化制造过程和/或改善加热分布。为了保持恒定的水力直径，从中心轴c向外周移动时，径向相邻的角向壁110之间的径向距离可以逐渐变窄，使得角向壁110之间的间距在径向接近外皮114时减小。这如图7中所示，其中中心轴c和第一角向壁110a之间的径向距离x1大于第一角向壁110a和下一个径向相邻的角向壁110b之间的径向距离x2。每个连续的角壁110之间的径向距离可以减小，从而使以下表达式成立：xn《xn-1《
…
x2《x1，并且当相邻径向壁之间的距离朝外周增加时，使得每个单元的水力直径保持基本相似(
±
35％变化)。因此，如图7中所示，蜂窝结构102在外周处比在中心轴c附近包括更多的角向壁110。
72.图8中示出了可由图7的实施例产生的热输出的示例。由于径向壁108表示电极104、106之间的最短路径，并且因此承载大部分电流，因此电极104附近的电流密度大于外
周处的电流密度，因为径向壁108在中心轴c附近相对较近地间隔，但由于其径向发散，在外周附近相距较远。因此，在期望在中心附近生成多余热量的情况下，该实施例是最有益的。例如，图8描绘了与图7的实施例类似的加热器的示例热量分布。如所示出的，图8的热分布在中心电极附近的温度为860k，在中心电极和外周之间的中点处的温度为560k，在外周附近的温度为430k，从而产生430k的温差。提供的温度值仅供讨论，并且可基于特定的材料、几何形状、电压、以及加热器的其他参数或特性来实现其他温度。
73.为了提高温度均匀性，径向壁108可以错列。例如，径向壁108可以在与每个角向壁110的交点处错列，使得蜂窝结构102的单元112的径向相邻的单元偏移，以砖状图案布置单元112，如图9中所示。因此，如图10所示，每个径向壁108可以从径向相邻的单元的径向壁108以角度θ成角度地偏移，该角度θ的顶点位于中心轴c。例如，径向壁108e从径向壁108f和/或108g偏移角度θ，因为由径向壁108e部分限定的单元112a与由径向壁108f和108g部分限定的单元112b径向相邻。由于单元112a和112b径向相邻，每个径向壁108e、108f和108g通常由角向壁110c连接，该角向壁110c通常由单元112a和112b共享。
74.图9的架构消除了电流从中心电极104流向外围电极106的任何直线路径，迫使电流沿向角壁110流动，从而在整个加热器中产生更均匀的加热，尤其是在角向壁的相对密度更大的外周附近。图11示出了错列的蜂窝结构(例如，图9的错列的蜂窝结构)的温度分布示例与图8的温度分布相比，示出了对热量分布均匀性的改善。实际上，如所示出的，图11的结构在中心电极附近的温度为680k，在中心电极和外周之间的中点处的温度为520k，并且在外周附近的温度为400k，从而产生280k的温差。
75.电流沿角向壁110流动的距离将至少部分由给定径向壁108和限定径向相邻的单元的最近的径向壁108之间的角度确定。即，在连接电极104、106之间的最短路径时，电流将主要沿着分隔径向壁108的角向壁110的部分流动。因此，如果两个径向壁108仅相隔一小角度，则电流将仅在径向壁108之间的短角距离内沿着角向壁110流动。相比之下，如果径向壁108以等于单元宽度一半的距离(诸如图9和图10中所示)偏移，则每个径向壁和与单个角向壁110相对的两个径向壁108的距离将相等，并且因此，从两个径向壁108沿整个角向壁110流动的电流将相等(单元112的所有其他方面相等)。因此，可以通过改变径向壁108的偏移来调整沿角向壁110流动的电流量和生成的热量。
76.图9和图10的示例，以及图11的所得热量分布，仍然可以在中心轴c附近生成比一些实施例中所需的更多的热量。即，例如，更均匀的温度分布可能有利于加热在加热器100的表面上的均匀流速的气体流。因此，为了进一步提高温度分布的均匀性，靠近加热器100中心的径向壁可以与相邻的径向壁对齐，以防止电流在靠近核心的角向壁中流动，而靠近外周的径向壁108以及相应的单元112可以偏移。因此，如图12的示例中所示，第一区105a中的单元与图7的实施例类似，其中径向壁108沿径向直线传播经过多个单元112，而第二区105b中的径向壁108与图9的实施例类似，其中径向壁108在径向壁108与角向壁110的每个交点处错列。
77.径向相邻的单元112之间的偏移可以改变，以获得所期望的热量分布。例如，如果加热器100的特定区域接收到的排气少于另一区域(例如靠近加热器100外周的区域)，则径向相邻的单元112之间的偏移可以增加，以迫使更多电流流过特定区域中的角向壁110。结合对本公开的查看，本领域普通技术人员将理解如何进行此类修改，以考虑非均匀排气流
或可能影响100的热量分布的加热器100的结构之外的其他因素。
78.在一些实施例中，尤其是在预期在加热器100的入口面上的气流不均匀的那些实施例中，特定区域内的单元尺寸可以设置为补偿某些区域中增加的排气流量。例如，中心区域(即，与中心轴c直接相邻的区域，诸如图12中的区105a)可接收到相对于在外周处接收到的排气流增加的排气流(例如，由于安装在车辆上的排气处理系统的设计)。因此，该示例中的单元112可被划分为设置在与中心轴直接相邻的区中的第一组(例如，图12中的区105a)中和设置在第二区中围绕第一组环形布置的第二组(例如，图12中的区105b)。第一组的单元112的水力直径可以小于或大于第二组的单元112的水力直径。例如，通过减少第一径向内部区域中单元组的水力直径，可以增加暴露在加热器中心的气流中的壁的表面积，并且从而增加催化材料的量，以使该区域中的催化效果最大化。有利地，这可用于在更高气体流速的区域中提供更高的温度和/或催化剂负载。在其他示例中，可以相应地增大或减小其他区的水力直径，以适应加热器100在使用期间经历或预期经历的特定流量分布。
79.在其他示例中，结合图4a-图6描述的修改可以各种可能方式与图9-图12的(多种)设计相结合，以产生更均匀的热量分布。例如，图4的设计的径向壁的厚度可以增加，使得径向壁108通常比角向壁110更厚(例如，两倍厚)，从而在角向壁处产生更大的加热(例如，两倍)。因此，在角向壁110的浓度更高的外周，热量生成更大，因此图13的热量分布尤其均匀。如图13中所示，具有增加的径向壁厚度的错列的单元设计在中心电极附近的温度为520k，在中心电极和外周之间的中点处的温度为520k，在外周附近的温度为500k，从而产生20k的温差。
80.图14示出了包括多个外围电极106的实施例。例如，由于电流将从中心电极104流向(多个)外围电极106，因此可以通过在期望相对较高温度的位置调整外围电极106的大小和定位来调整温度分布。例如，可以定位一个或多个外围电极106，以引导电流流过预期接收更高流速的气流的单元112。
81.虽然本文已经描述和说明了几个发明性示例，但本领域普通技术人员将很容易设想用于执行本文所描述的功能和/或获得本文所描述的结果和/或一个或多个优点的各种其他方式和/或结构，并且此类变化和/或修改中的每一者都被认为在本文所描述的发明性示例的范围内。更一般地，本领域技术人员将容易理解，本文描述的所有参数、尺寸、材料和配置都旨在是示例性的，并且实际参数、尺寸、材料和/或配置将取决于本发明教导所用于的特定应用或特定多个应用。本领域技术人员将认识到或能够仅使用常规实验来确定本文所述的特定发明性示例的许多等效物。因此，应当理解，前述示例仅以示例的方式呈现，并且在所附权利要求书及其等效物的范围内，可以实施发明性示例，而不是如具体描述和要求保护地实施发明性示例。本公开的发明性示例针对本文所述的每个单独特征、系统、物品、材料、和/或方法。此外，如果此类特征、系统、物品、材料、和/或方法没有相互不一致，则两个或更多个此类特征、系统、物品、材料、和/或方法的任何组合都包括在本公开的发明范围内。