Ячеистый корпус и способ изготовления электрически подогреваемого ячеистого корпуса - RU2083283C1
Код документа: RU2083283C1
Чертежи
Описание
Изобретение относится к ячеистому корпусу, содержащему по меньшей мере один лист, имеющему ось, вдоль которой через него может проходить жидкость и вдоль которой он ограничен по меньшей мере двумя противоположными торцевыми сторонами.
Изобретение относится, в частности, к ячеистым корпусам, пригодным и предназначенным для применения в качестве корпусов-носителей катализатора, например, в системах отвода отработанных газов в автомобилях.
Ячеистые корпуса, образованные из металлических структур, в частности по меньшей мере из частично структурированных листов, описаны в WO 89/07488 A1 и WO 90/023220 A1. Для образования таких ячеистых корпусов листы, в том числе и гофрированные листы, укладывают слоями и скручивают вокруг оси; для повышения механической стабильности можно слои отчасти усилить, причем усиления не должны проходить по всей длине ячеистого корпуса вдоль его оси, а могут быть ограничены участками, в частности участками вблизи торцевых сторон ячеистого корпуса.
Для целенаправленного воздействия на протекание жидкости через ячеистую структуру, например отработанного газа двигателя внутреннего сгорания, листы, образующие ячеистый корпус, можно снабдить мелкими структурами. На таких структурах возникают, например, турбулентности, улучшающие контакт жидкости с ячеистым корпусом и тем самым поддерживающие реакцию в жидкости, вызванную катализатором на ячеистом корпусе. В соответствии с WO 90/08249 A1 листы, образующие ячеистый корпус, снабжены микроструктурами, которые проходят поперек или под углом по отношению к направлению потока жидкости. Такие микроструктуры могут представлять собой, например, желобки, гофры, утолщения или пазы. В соответствии с WO 91/01178 A1 листы, образующие ячеистый корпус, снабжены отверстиями, к которым присоединены направляющие поверхности для потока; такие направляющие поверхности могут проводить частичные потоки протекающей через ячеистый корпус жидкости через отверстия и тем самым снизить эффект граничного слоя; с помощью систематического расположения отверстий и направляющих поверхностей для потока можно дополнительно достичь равномерности профиля потока в ячеистом корпусе. В соответствии с WO 91/01807 A1 гофрированные листы в ячеистом корпусе снабжены опрокидывателями, которые образуют дополнительные ребра обтекания внутри ячеистого корпуса, благодаря чему можно также подавить эффект граничного слоя.
В соответствии с EP 0 279 159 A1 металлический корпус-носитель для катализатора образован из сменяющих друг друга слоев из двух различных гофрированных листов. Такой ячеистый корпус отличается особенно высокой механической стабильностью; он пригоден, прежде всего, для использования при высоких переменных термических нагрузках.
Из WO 89/10470 A1 и WO 89/10471 A1 известны электрически нагреваемые ячеистые корпуса, выполненные из листов. Так как обычные катализаторы, предназначенные для использования в системах для отвода отработанных газов из двигателей внутреннего сгорания, эффективны лишь при повышенных температурах, обычно выше 300oC, то в начальный момент обтекания катализатора холодным отработанным газом не наступает никакой каталитической реакции; сначала катализатор должен быть подогрет до достаточно высокой температуры. Для ускорения такого предварительного нагрева или даже его осуществления перед запуском двигателя внутреннего сгорания металлический ячеистый корпус можно подвергать непосредственному электрическому нагреву, пропуская через него электрический ток. Электрическое сопротивление ячеистого корпуса должно соответствовать, при определенных условиях, свойствам имеющегося в наличии источника электрического тока; в ячеистом корпусе для применения в автомобиле линия электрического тока должна иметь сопротивление порядка 0,1 Ом. Чтобы этого достичь, ячеистый корпус может быть разделен зазорами и/или электроизолированными промежуточными слоями по своему поперечному сечению и/или по своей оси. В соответствии с WO 90/12951 A1 можно повысить прочность ячеистого корпуса, подвергаемого непосредственному электрическому нагреванию, вводя в ячеистый корпус соединения с геометрическим замыканием между листами и керамическим промежуточным слоем, причем в каждом случае между двумя листами помещается промежуточный керамический слой.
Известные из уровня техники указания по конструкции ячеистого корпуса с непосредственным электрическим подогревом, в частности ячеистого корпуса для применения в качестве корпуса-носителя для катализатора в системах для отвода отработанных газов автомобиля, не всегда обеспечивают достаточно стабильную и механически нагружаемую структуру; введение зазоров и/или электроизолирующих слоев, как например керамических слоев, может быть связано с задачей соединений силового замыкания между различными положениями в ячеистом корпусе и тем самым способствовать возможному ослаблению механической структуры ячеистого корпуса.
Поэтому задачей настоящего изобретения является создание ячеистого корпуса, в котором обеспечение соответствующего сопротивления для электрического подогрева не требовало бы никаких значительных уступок относительно механической прочности; при изготовлении такого ячеистого корпуса для образования требуемых соединений силового замыкания должны использоваться простые и надежные возможности из технологии изготовления ячеистых корпусов без электрического подогрева.
Решение задачи согласно изобретению представляет ячеистый корпус, который:
а) имеет ось, вдоль которой через него проходит жидкость;
б)
ограничен вдоль оси по меньшей мере двумя противоположными торцевыми сторонами;
в) имеет образованную из по меньшей мере одного листа внутреннюю структуру, через которую может проходить
электрический ток для подогрева;
г) на каждой торцевой стороне имеет, в основном, металлическую раму, в которой крепится внутренняя структура, причем между внутренней структурой и рамой
расположена электрическая изоляция.
В ячеистом корпусе согласно изобретению составные части, обеспечивающие механическую прочность, отделены от составных частей, подвергаемых непосредственному электрическому подогреву; ячеистый корпус состоит из внутренней структуры, которая подогревается электрически, и в конкретной конструкции этой структуры могут использоваться все уже известные сведения по обеспечению электрического сопротивления в соответствии с заданным значением. Далее можно использовать то, что внутренняя структура не требует никакой особенной собственной стабильности, так как механическая прочность и способность выдерживать нагрузки ячеистого корпуса, согласно изобретению, определяется двумя рамами, которые в каждом случае на соответствующей торцевой стороне ячеистого корпуса удерживают внутреннюю структуру, при этом, конечно, электрически изолированы от внутренней структуры.
Наложение электрических подсоединений к внутренней структуре должно следовать в соответствии с формой электрического проводника, вдоль которого электрический ток протекает через внутреннюю структуру; электрическое подсоединение так же, как и внутренняя структура, не должно само воспринимать механические нагрузки, что дает возможность, согласно изобретению, свободы выбора формы для электрического проводника и электрических подсоединений.
Удерживание внутренней структуры в каждой раме осуществляется согласно дальнейшему предпочтительному усовершенствованию изобретения, в основном, с помощью трения, например, благодаря тому, что лист, образующий внутреннюю структуру, зажимают в каждой раме. Крепление с помощью трения является, как правило, достаточным прежде всего тогда, когда ячеистый корпус на рамах соединен с остальными компонентами проводящей системы, к которой он относится.
Изоляцией между внутренней структурой и рамой является, при благоприятных условиях, по меньшей мере один керамический слой, в зависимости от формы внутренней структуры и рамы несколько или множество керамических слоев. Керамические слои являются особенно стабильными в отношении термических нагрузок и поэтому особенно пригодны в ячеистых корпусах, которые должны противостоять высоким термическим нагрузкам. Керамический слой может представлять собой покрытие листа внутренней структуры или рамы; согласно одному варианту, он может быть образован также керамическим волокнистым холстом, фольгой из спеченной стеклянной керамики или тому подобным. Особенно предпочтительны фольги из спеченной стеклокерамики, так как они могут быть очень тонкими, очень гибкими и иметь очень небольшую склонность к хрупкому разрушению.
Крепление внутренней структуры в каждой раме осуществляется более благоприятным образом благодаря тому, что лист во внутренней структуре захватывается и зажимается находящимся в раме загибом листа; само собой разумеется, этот сгиб листа вместе с листом также должен охватывать соответствующую изоляцию. Предпочтительно, чтобы эта изоляция представляла собой сцепленный со сгибом листа керамический слой.
Сгиб листа на торцевой стороне, у которой он согнут, имеет значительные изменения металлической структуры, из которой он состоит. Во избежание повреждений металла путем хрупкого разрушения или тому подобного при последующих эксплуатационных нагрузках сгиб листа вблизи торцевой стороны снабжают содержащей припой, предпочтительно состоящей из припоя паяной вставкой. Эта паяная вставка способствует некоторому спаиванию наложенных друг на друга частей сгиба листа друг с другом и таким образом надежно предотвращает разрушение сгиба листа. Само собой разумеется, паяная вставка должна располагаться на расстоянии от изолируемого листа внутренней структуры.
Предпочтительно, особенно в отношении благоприятного закрепления ячеистого корпуса в системе проводки, чтобы каждая рама была окружена соответствующим кожухом в виде трубы и закреплена на нем. Такой трубообразный кожух пригоден для образования соединений с другими трубами; в зависимости от требований он может быть снабжен фланцем.
Предпочтительно, лист во внутренней структуре ячеистого корпуса согласно изобретению гофрирован, благодаря чему определена высота гофра и длина гофра. Применение гофрированного листа для образования ячеистого корпуса согласно изобретению является важным для реализации признаков многих известных конструкций. Кроме того, волнистость листа, используемого для построения ячеистого корпуса согласно изобретению, имеет особенное преимущество в связи с тем, что в каждом случае предусмотрено по одной складке листа для крепления листа в каждой раме. Как правило, гофры гофрированного листа в ячеистом корпусе направлены параллельно оси; сгиб листа, который в раме с торцевой стороны ячеистого корпуса согласно изобретению охватывает известным образом гофрированный лист, должен, в свою очередь, быть также гофрированным. Предпочтительно, чтобы лист и охватывающая этот лист складка листа гофрировались одновременно; гладкие складки листа сдвигаются на гладкий лист, а затем известным образом придают волнистость. Волнистый сгиб имеет большое преимущество в том, что он не сминается или сминается незначительно, когда его загибают для образования переплетенного или скрученного ячеистого корпуса. Оказалось, что гладкий сгиб листа при таком скручивании или переплетении может слегка смяться, от чего при соответствующих обстоятельствах может снизиться прочность рамы, образованной таким сгибом листа.
Преимущества, являющиеся результатом использования гофрированных листов, особенно проявляются в том случае, если для образования ячеистого корпуса используются лишь гофрированные листы, предпочтительно гофрированные листы с двумя различными волнистостями, которые попеременно накладываются друг на друга.
При образовании по изобретению ячеистого корпуса из гофрированного первого листа с первой длиной волны и первой высотой волны, а также из второго листа со второй длиной волны и второй высотой волны предпочтительно выбирают первую длину волны примерно равной второй длине волны; таким образом, волнистости могут взаимно зацепляться, что может иметь значение для достижения высокой механической прочности. Хотя взаимное зубчатое зацепление обеих волнистостей не обязательно равномерно, если волнистости скручиваются или переплетаются; благодаря соответствующему согласованию длин волн друг с другом можно при определенных условиях оптимизировать зубчатое зацепление. Благоприятно, если выбирают явно отклоняющиеся друг от друга первую высоту волны и вторую высоту волны, чтобы исключить то, что волнистости непосредственно лежат друг на друге без оставления свободными достаточно больших каналов на больших участках. Первая высота волны выбирается предпочтительно большей, чем вторая высота волны, а именно, прежде всего, по меньшей мере вдвое больше, предпочтительно втрое больше.
Как внутренняя структура, так и рамы ячеистого корпуса благоприятным образом в каждом случае укладываются в слои (как выше пояснялось для особого случая), и слои по типу спирали или эвольвенты наматываются вокруг оси. Подобные конструкции известны в многообразных формах и могут использоваться в вариантах выполнения изобретения.
В рамках особенно предпочтительного дальнейшего усовершенствования изобретения внутренняя структура разделена электрической изоляцией между слоями. Как уже упоминалось, изобретение ставит лишь очень незначительные требования к механической собственной стабильности внутренней структуры; в соответствии с этим, внутренняя структура особенно пригодна для образования электрической проводки с электрическим сопротивлением, соответствующим заданному источнику тока, для чего могут быть предусмотрены подразделения в виде изолирующих слоев и зазоров. Становится возможным с помощью изобретения в ячеистых корпусах с электрическим подогревом для использования в системах отвода отработанных газов транспортных средств, для нагревания которых должна быть в наличии электрическая мощность в 2 кВт, создать электрическое сопротивление между 0,05 Ом (соответствующее электрическому источнику напряжения с напряжением примерно 12 В) и 20 Ом (соответствующее электрическому источнику напряжения с напряжением около 200 В напряжение в сети для Европы).
Так как, в соответствии с выполнением, рамы являются важными несущими частями ячеистого корпуса, то желательно в каждой раме слои соединять между собой в достаточно полной мере с силовым замыканием, в частности, с помощью пайки твердым припоем. Так как рамы расположены на торцевых сторонах ячеистого корпуса, то его можно собрать по возможности без предварительного внесения припоя, а затем для нанесения припоя окунуть в ванну, содержащую припой, или в псевдоожиженный слой, содержащий припой, а также, в случае необходимости, подвергнуть затем термической обработке для оплавления припоя. Эту возможность, известную для изготовления простых ячеистых корпусов, можно также использовать согласно изобретению для изготовления более сложных по конструкции, электрически нагреваемых ячеистых корпусов.
При дальнейшем усовершенствовании изобретения в каждую раму ячеистого корпуса между слоями, под которыми понимают уложенные слоями складки листа или тому подобное, введены гладкие листовые полосы и/или гофрированные листовые полосы и соединены со слоями силовым замыканием. Благодаря введению таких листовых полос можно, с одной стороны, образовать во внутренней структуре стабильные воздушные зазоры, что может иметь значение для электроподогреваемых внутренних структур, а с другой стороны, можно с помощью введения таких листовых полос уменьшить теплоемкость рамы. Возможно это важно также для ячеистого корпуса с электронагреваемой внутренней структурой, так как одновременно с внутренней структурой должна также нагреваться каждая рама, что требует тем больше энергии, чем выше теплоемкость рамы.
Изобретение относится также к способу изготовления ячеистого корпуса с признаками согласно изобретению. В рамках этого способа вначале подготавливают по крайней мере один примерно прямоугольный лист с двумя противолежащими, направленными примерно перпендикулярно оси, торцевыми кромками; каждая торцевая кромка охватывается сгибом листа, снабженным накладываемым на лист керамическим слоем; затем лист и сгиб листа подвергаются гофрированию, а именно под тупым углом, предпочтительно примерно перпендикулярно оси; затем лист с листовым сгибом укладывают в слои и скручивают вокруг оси; затем листовые сгибы, образующие рамы, окружают кожухами в виде труб и, наконец, соединяют слои, образованные между листовыми сгибами, с силовым замыканием. Такие соединения с силовым замыканием могут представлять собой пайку твердым припоем; такую пайку твердым припоем можно получить, например, погружая рамы в ванну или в псевдоожиженный слой с припоем, а затем, производя термообработку для оплавления припоя.
Предпочтительно изготовление ячеистого корпуса согласно изобретению осуществляют из большего числа листов, причем, в случае необходимости, все листы должны гофрироваться одной из двух волнистостей.
Дальнейшее пояснение изобретения осуществляют на основании представленных на чертежах примеров выполнения; для уточнения специфических свойств изобретения чертеж выполнен отчасти схематически и/или с искажением.
На фиг.1 представлен гофрированный лист, снабженный сгибом, для использования по изобретению; на фиг.2 пример выполнения ячеистого корпуса согласно изобретению в осевом сечении; на фиг.3 отчасти схематичный вид под острым углом другого примера выполнения изобретения; на фиг.4 поперечное сечение размещения листов с различной волнистостью; на фиг.5 вид части рамы ячеистого корпуса согласно изобретению; на фиг.6 сгиб листа с дополнительной вкладкой припоя.
На фиг.1 показан лист 3, торцевые кромки 16 которого охвачены листовыми сгибами 9. Между листовыми сгибами 9 и листом 3 находится изолирующий слой 16, например керамическое покрытие на каждом листовом сгибе 9. Лист 3 и листовые сгибы 9 гофрированы, а именно перпендикулярно оси 1 ячеистого корпуса, образуемого листом 3.
Фиг. 2 представляет собой схематичный продольный осевой разрез примера выполнения ячеистого корпуса согласно изобретению.
Вдоль оси 1 ячеистый корпус ограничен торцевыми поверхностями 2. У каждой торцевой поверхности 2 расположена рама 6, которая поддерживает внутреннюю структуру 5, образованную уложенными слоями и скрученными листами 3. Каждая рама 6 содержит листовые сгибы 9, которые в каждом случае охватывают торцевую кромку 16 листа 3. От листов 3 листовые сгибы 9 изолированы керамическими изолирующими слоями 7 и зазором 8. В каждой раме 6 между двумя образуемыми листовыми сгибами 9 слоями введена листовая полоса 14; эта листовая полоса 14, с одной стороны, снижает теплоемкость рамы 6, а с другой стороны, обеспечивает во внутренней структуре 5 расстояние между соседними слоями. Благодаря этому можно во внутренней структуре 5 предусмотреть изолирующие слои 11, 12. Такие изолирующие слои могут представлять собой зазоры 12; можно также между двумя соседними слоями листов 3 ввести керамический изолирующий слой 11 или ему подобный. Такой изолирующий слой 11 может представлять собой керамический волокнистый мат, введенный между двумя слоями, или керамическое покрытие на одном из листов 3. Каждая рама 6 введена в трубообразный кожух 10, что создает дополнительную стабильность для ячеистого корпуса.
На фиг.3 показан вид под острым углом ячеистого корпуса согласно изобретению. Вдоль оси 1 ячеистый корпус ограничен торцевыми поверхностями 2. На каждой торцевой стороне 2 находится рама 6, заключенная в каждом случае в трубообразный кожух 10. Между установленными на расстоянии друг от друга рамами 6 располагается, подвергаемая непосредственному электронагреву, внутренняя структура 5. Для подвода и отвода требуемого для нагрева электрического тока внутренняя структура 5 снабжена подсоединениями 17; в соответствии с выбранной перспективой видно только одно подсоединение 17.
На фиг.4 показано взаимное расположение наложенных друг на друга слоями, обладающих различной волнистостью листов 3 и 4. Первые листы 3 имеют определяемую в направлении их волнистости длину волны d1, а также высоту волны h1, которая является амплитудой волнистости. Второй лист 4 имеет соответствующую длину волны d2, а также высоту волны h2, причем высота волны h2 второго листа соответствует примерно трети высоты волны h1 первого листа 3. Длина волны d2 второго листа 4 соответствует приблизительно длине волны d1 первого листа 3. Естественно, что зазор между первыми листами 3 и вторыми листами 4 также зависит от того, скручены ли листы 3, 4 в дополнение к слоистому строению; в этом случае могут получиться отклонения от представленного образца. Упомянутый предпочтительный выбор длины волн d1 и d2, а также высоты волн h1 и h2 в общем, однако, оказалось оптимальным, дающим преимущества.
На фиг.5 показан частичный вид рамы 6 ячеистого корпуса согласно изобретению; рама 6 состоит из уложенных в слои сгибов 9 листа, а также гладких полос 14 и волнистых листовых полос 15. Каждый листовой сгиб 9 охватывает (не показано) лист (не показано) внутренней структуры; листовые полосы 14 и 15 не вдаются во внутреннюю структуру, а, в основном, ограничены рамами 6. На фиг. 5 показан один предпочтительный пример выполнения по изобретению, а именно полное спаивание рамы 6. Фактически в каждом месте соприкосновения между сгибами 9 и листовыми полосами 14 и 15 находится твердый припой 13. Таким образом, рама 6 становится исключительно стабильной, причем, однако, всегда остается возможность с помощью введения зазоров, изолирующих слоев или тому подобное так выполнить внутреннюю структуру, чтобы электрическая цепь получилась с относительно высоким, соответствующим заданным характеристикам обогрева электрическим сопротивлением. Эти зазоры и тому подобные не оказывают значительного влияния на стабильность ячеистого корпуса согласно изобретению.
На фиг. 6 показан листовой сгиб 9, охватывающий заключенный в изоляционные слои 7 лист 3. Листовой сгиб 9 сложен на торцевой стороне 18 и вблизи от нее и на расстоянии от торцевой кромки 16 листа 3 имеет вкладку 19 из припоя. Вкладка 19 из припоя обеспечивает некоторое спаивание наложенных друг на друга участков листового сгиба 9 и тем самым создает дополнительную прочность, которая предпочтительно дополняет возможно ограниченную сгибом прочность листового сгиба 9 на торцевой стороне 18. Следует также отметить, что вместо согнутого листового сгиба 9 может использоваться согласно изобретению также листовой сгиб 9 из двух наложенных друг на друга, спаянных с торцевой стороны 18 частей.
В ячеистом корпусе согласно изобретению элементы, обеспечивающие механическую прочность, отделены от элементов, подвергаемых непосредственному электрическому нагреву и выполненных согласно заданным значениям электрического сопротивления. Ячеистый корпус прост в изготовлении и обладает особенно высокой прочностью.
Реферат
Ячеистый корпус согласно изобретению с осью, вдоль которой через него может проходить жидкость и вдоль которой он ограничен по меньшей мере с двух противоположных торцевых сторон, имеет состоящую по меньшей мере из одного листа внутреннюю структуру, через которую может проходить электрический ток для обогрева, и на каждой торцевой стороне имеет в основном металлическую раму, в которой закрепляется внутренняя структура. Между внутренней структурой и рамой расположена электрическая изоляция. В этом ячеистом корпусе элементы, обеспечивающие механическую прочность, отделены от элементов, непосредственно подвергаемых электрическому нагреву и в соответствии с заданными значениями сформированных для создания требуемого для нагрева электрического сопротивления. Ячеистый корпус прост в изготовлении и обладает особой прочностью; он особенно пригоден для применения в качестве корпуса-носителя для катализатора в системах отвода отработанных газов автомобиля. 2 с. и 16 з.п. ф-лы, 6 ил.
