Конструкция сотового элемента с несущими участками (варианты) - RU2208686C2

Чертежи

Описание

Изобретение относится к конструкции сотового элемента, применяемого прежде всего в качестве корпуса-носителя катализатора для нейтрализации отработавших газов (ОГ) автотранспортных средств.

Конструкции сотовых элементов, имеющих кожух, в котором расположен собственно сотовый элемент, радиальная жесткость которого изменяется в его окружном направлении, и расположенный между кожухом и сотовым элементом компенсационный слой, известны, в частности, из описания к полезной модели G 7401002.

В подобных сотовых элементах имеется большое количество каналов, отделенных друг от друга перегородками. Каналы могут иметь в сечении квадратную, прямоугольную или иную многоугольную форму. В US 3853485 описаны различные формы таких сечений.

В зависимости от геометрии каналов и их расположения по сечению сотового элемента радиальная жесткость подобного сотового элемента неоднородна в его окружном направлении. Эти различия в жесткости сотового элемента влияют также на его сопротивление разрушению и на упругость. Из WO 94/15712 известен сотовый элемент, обладающий повышенной упругостью, при этом, в частности, его упругие свойства в разных направлениях не отличаются друг от друга. Согласно предложенному в WO 94/15712 решению сотовый элемент имеет по меньшей мере на наружном участке перегородки, расположение и форма которых подобраны таким образом, чтобы они в плоскости сечения сотового элемента не образовывали жестких структур в радиальном направлении и/или жестких опорных структур, проходящих в окружном направлении.

Преимущество такого сотового элемента, изготовленного из керамического материала и/или металла, состоит в том, что его сопротивление разрушению под действием усилий, действующих на сотовый элемент со стороны кожуха в радиальном направлении, достаточно велико, поскольку по всему его окружному направлению радиальная жесткость одинакова.

Принципиальная проблема, связанная с возможным разрушением сотового элемента под воздействием равномерно действующих на этот сотовый элемент со стороны кожуха в радиальном направлении сил, решена в WO 94/15712.

Исходя из вышеизложенного в основу настоящего изобретения была положена задача разработать сотовый элемент такой конструкции, которая позволяла бы предотвратить и повреждение корпуса-носителя катализатора, обладающего неоднородной в его окружном направлении радиальной жесткостью, под воздействием сил, действующих в радиальном направлении со стороны кожуха.

Указанная задача решается с помощью конструкции сотового элемента, в которой имеется металлический кожух, в котором размещен собственно сотовый элемент, который имеет множество отделенных друг от друга перегородками каналов и радиальная жесткость которого неоднородна в его окружном направлении, а также имеется компенсационный слой, который расположен между кожухом и сотовым элементом по меньшей мере на отдельных участках в окружном направлении таким образом, что в окружном направлении сотового элемента этот компенсационный слой имеет по меньшей мере два несущих участка, которые воздействуют на сотовый элемент в радиальном направлении с большими усилиями, чем действующие вне этих несущих участков усилия на остальных расположенных в окружном направлении участках, при этом указанные несущие участки расположены в тех местах сотового элемента, где последний обладает повышенной радиальной жесткостью. Согласно изобретению несущие участки по меньшей мере частично образованы по меньшей мере одной вставкой, выполненной из металлического материала.

Предпочтительно сотовый элемент выполнить с электрическим подогревом, а вставку выполнить в виде контакт-детали для подключения к источнику электрического тока.

В предпочтительном варианте выполнения сотовый элемент представляет собой керамический, прежде всего экструдированный, элемент с ровными перегородками, радиальная жесткость которого вдоль этих перегородок выше жесткости в других направлениях.

При четном количестве несущих участков целесообразно по два несущих участка расположить в поперечном сечении диаметрально друг против друга.

При этом сотовый элемент и/или компенсационный слой и/или кожух могут иметь по меньшей мере одно вспомогательное позиционирующее приспособление, служащее для позиционирования сотового элемента и кожуха соответственно компенсационного слоя в правильной ориентации друг относительно друга.

Предпочтительно вспомогательное позиционирующее приспособление выполнить в виде оптически распознаваемых меток либо в виде по меньшей мере одного выступа или углубления.

Целесообразно несущие участки расположить по меньшей мере на части осевой длины сотового элемента.

Предлагается также конструкция сотового элемента, в которой имеется металлический кожух, в котором размещен собственно сотовый элемент, который имеет множество отделенных друг от друга перегородками каналов и радиальная жесткость которого неоднородна в его окружном направлении, а также имеется компенсационный слой, который расположен между кожухом и сотовым элементом по меньшей мере на отдельных участках в окружном направлении. Согласно изобретению кожух имеет в окружном направлении сотового элемента по меньшей мере два обращенных радиально внутрь несущих сегмента, образующих несущие участки.

В этом случае сотовый элемент представляет собой керамический, прежде всего экструдированный, элемент с ровными перегородками, радиальная жесткость которого вдоль этих перегородок выше жесткости в других направлениях.

При четном количестве несущих участков предпочтительно по два несущих участка расположить в поперечном сечении диаметрально друг против друга.

В этом варианте выполнения сотовый элемент и/или компенсационный слой и/или кожух также имеют по меньшей мере одно вспомогательное позиционирующее приспособление, служащее для позиционирования сотового элемента и кожуха соответственно компенсационного слоя в правильной ориентации друг относительно друга.

Целесообразно вспомогательное позиционирующее приспособление выполнить в виде оптически распознаваемых меток или в виде по меньшей мере одного выступа или углубления.

При этом несущие участки также могут проходить по меньшей мере по части осевой длины сотового элемента.

Предлагается также еще одна конструкция сотового элемента, в которой имеется металлический кожух, в котором размещен собственно сотовый элемент, который имеет множество отделенных друг от друга перегородками каналов и радиальная жесткость которого неоднородна в его окружном направлении, а также имеется компенсационный слой, который расположен между кожухом и сотовым элементом по меньшей мере на отдельных участках в окружном направлении. Согласно изобретению на обращенной к компенсационному слою стороне сотовый элемент имеет по меньшей мере два обращенных радиально наружу выпуклых сегмента, образующих несущие участки, причем указанные выпуклые сегменты выполнены в тех местах сотового элемента, где последний обладает повышенной радиальной жесткостью.

В этом случае сотовый элемент представляет собой керамический, прежде всего экструдированный, элемент с ровными перегородками, радиальная жесткость которого вдоль этих перегородок выше жесткости в других направлениях.

Предпочтительно выпуклые сегменты выполнить в виде проходящих по всей осевой длине выступов, которые могут быть изготовлены при экструзии сотового элемента с использованием имеющей соответствующую форму экструзионной головки.

При четном количестве несущих участков желательно по два несущих участка расположить в поперечном сечении диаметрально друг против друга.

Сотовый элемент и/или компенсационный слой и/или кожух могут также иметь по меньшей мере одно вспомогательное позиционирующее приспособление, служащее для позиционирования сотового элемента и кожуха соответственно компенсационного слоя в правильной ориентации друг относительно друга.

Предпочтительно вспомогательное позиционирующее приспособление выполнить в виде оптически распознаваемых меток либо в виде по меньшей мере одного выступа или углубления.

Несущие участки могут быть расположены также по меньшей мере на части осевой длины сотового элемента.

Основная идея изобретения заключается в том, чтобы для жесткого и надежного крепления сотового элемента в кожухе использовать различия в радиальных прочностных свойствах сотового элемента на разных его участках в окружном направлении за счет соответствующего выполнения расположенного между этим сотовым элементом и кожухом компенсационного слоя.

Расположенный между кожухом и сотовым элементом компенсационный слой имеет в окружном направлении сотового элемента по меньшей мере два несущих участка, которые воздействуют на сотовый элемент в радиальном направлении с большими усилиями, чем действующие вне этих несущих участков усилия на остальных расположенных в окружном направлении участках. При этом такие несущие участки, предусмотренные в компенсационном слое, расположены в тех местах сотового элемента, где последний обладает повышенной радиальной жесткостью. Именно эти несущие участки в основном и воспринимают усилия, действующие со стороны кожуха на сотовый элемент, и передают их на сравнительно жесткую структуру сотового элемента. На остальных участках сотового элемента, расположенных в его окружном направлении между каждыми двумя соседними несущими участками компенсационного слоя, на сотовый элемент вообще не передаются или передаются лишь очень малые силы. Благодаря такому выполнению компенсационного слоя сотовый элемент имеет внутри кожуха, если смотреть в поперечном сечении, как бы по меньшей мере две опорные точки, соответственно два опорных участка.

Предлагаемая в изобретении конструкция сотового элемента позволяет предотвратить возможное его разрушение в процессе изготовления, т.е. при установке сотового элемента в кожух. Еще одно преимущество предлагаемой в изобретении конструкции состоит в том, что усилия, возникающие в процессе эксплуатации сотового элемента вследствие тепловых расширений, воспринимаются в основном несущими участками и, следовательно, распределяются в тех направлениях, в которых жесткость сотового элемента является наибольшей.

Сотовый элемент может быть металлическим и/или керамическим. Каналы могут иметь в сечении сравнительно простую геометрическую форму, которой обусловлена зависящая от направления неравномерность радиальной жесткости сотового элемента. Настоящее изобретение прежде всего применимо в случае особо тонкостенных экструдированных керамических сотовых элементов, в частности с каналами квадратного сечения, причем в этом случае сотовый элемент предпочтительно крепить в кожухе с использованием четырех несущих участков, каждый из которых передает на сотовый элемент усилия, действующие вдоль стенок каналов.

Различия в жесткости сотового элемента могут быть скомпенсированы соответствующим подбором свойств самого компенсационного слоя. При этом компенсационный слой предпочтительно выполнять таким образом, чтобы вес несущих участков, приходящийся на единицу площади поверхности, превышал тот же показатель для других участков компенсационного слоя. Так, в частности, несущие участки могут обладать по сравнению с другими участками более высокой плотностью. При таком выполнении компенсационного слоя создаются различия в деформационных свойствах несущих участков и остальных расположенных в окружном направлении участков. Повысить жесткость несущих участков можно также за счет по меньшей мере частичного выполнения этих несущих участков в виде по меньшей мере одной вставки.

Такая вставка при этом может иметь определенную структуру, например слоистую (сэндвичевую) структуру, при этом сама вставка будет воспринимать усилия, действующие на сотовый элемент в радиальном направлении со стороны кожуха.

Альтернативно этому или дополнительно к этому вставка может быть выполнена из материала, обладающего более высокой прочностью по сравнению с материалом других участков компенсационного слоя. Предпочтительно при этом использовать металлический материал. Эта вставка может служить также контакт-деталью для подключения к источнику электрического тока, если сотовый элемент должен иметь электрический подогрев.

Расположенный между сотовым элементом и кожухом компенсационный слой предпочтительно по меньшей мере частично выполнять по типу мата, благодаря чему обеспечивается также теплоизоляция сотового элемента относительно кожуха. Компенсационный слой предпочтительно имеет по меньшей мере один мат из керамических волокон, при этом предпочтительно применять так называемые набухающие маты, которые благодаря своей кристаллической структуре способны заполнять пустоты, набухая от впитываемой ими воды.

Компенсировать имеющиеся у сотового элемента в его окружном направлении различия в радиальной жесткости можно и за счет формирования несущих участков из материала компенсационного слоя, выполняя последний по меньшей мере двух-, предпочтительно трехслойным. При этом компенсационный слой выполняют цельным, фальцуя его в несколько слоев. Такое решение является наиболее простым и позволяет реализовать изобретение при небольших затратах.

В следующем варианте предлагается компенсировать имеющиеся у сотового элемента в его окружном направлении различия в радиальной жесткости за счет соответствующего выполнения его кожуха. Для этого на кожухе предлагается предусмотреть по меньшей мере два расположенных в окружном направлении сотового элемента и обращенных радиально внутрь несущих сегмента, которые располагают в тех местах сотового элемента, где последний обладает повышенной радиальной жесткостью. В этих местах расположения несущих сегментов силы, действующие со стороны кожуха на сотовый элемент, передаются на те участки сотового элемента, на которых последний обладает более высокой радиальной жесткостью. Благодаря этому остальные участки сотового элемента, на которых последний обладает меньшей радиальной жесткостью, не воспринимают вовсе или воспринимают лишь очень малые усилия. В этом варианте между кожухом и сотовым элементом также предпочтительно располагать компенсационный слой в виде матов из волокнистого материала, который на участках расположения несущих сегментов сжимается сильнее, чем на остальных участках в окружном направлении, в результате чего несущие сегменты и в этом случае образуют несущие участки.

Несущие участки могут проходить по всей осевой длине сотового элемента, что, однако, не является абсолютно необходимым. Так, например, в частности, для удлиненных в осевом направлении, но изготовленных не строго прямыми сотовых элементов может оказаться целесообразным располагать несущие участки лишь на части осевой длины сотового элемента, например размещать их только вблизи торцовых сторон. Несущие участки можно предусмотреть и на самом сотовом элементе, распределив их по его боковой поверхности. Однако количество и размеры несущих участков следует при этом подбирать таким образом, чтобы обеспечить жесткое и долговечное крепление сотового элемента в кожухе.

В следующем предпочтительном варианте выполнения изобретения предлагается предусматривать в конструкции сотового элемента четное количество несущих участков, располагая их таким образом, чтобы в поперечном сечении этой конструкции по два несущих участка размещались диаметрально друг против друга. При этом следует отметить, что несущие участки в любом случае следует равномерно распределять в окружном направлении сотового элемента.

С целью упростить сборку сотового элемента и обеспечить точное совмещение несущих участков компенсационного слоя с теми участками сотового элемента, на которых последний обладает повышенной радиальной жесткостью, предлагается предусмотреть у сотового элемента и/или компенсационного слоя и/или кожуха вспомогательное позиционирующее приспособление. Для этой цели такое вспомогательное позиционирующее приспособление предлагается, в частности, выполнять в виде по меньшей мере одной оптически распознаваемой метки, что позволяет также автоматизировать сборку сотового элемента. Однако вспомогательное позиционирующее приспособление можно также выполнить в виде выступа или углубления, наличие которых в этом случае можно определить механически с помощью щупа.

В следующем варианте выполнения изобретения предлагается предусмотреть у сотового элемента с его обращенной к компенсационному слою стороны по меньшей мере два обращенных в поперечном сечении радиально наружу выпуклых сегмента, причем выполняют такие выпуклые сегменты также на тех участках сотового элемента, на которых последний обладает более высокой радиальной жесткостью. И при таком решении остальные участки сотового элемента, на которых последний обладает меньшей радиальной жесткостью, также не воспринимают вовсе или воспринимают лишь очень малые усилия. Соответствующие выпуклые сегменты наиболее предпочтительно выполнять в виде проходящих в осевом направлении плоских выступов, поскольку при этом достигается оптимальное распределение сил в сотовом элементе. Выпуклые сегменты образуют в компенсационном слое несущие участки, а при круглых поперечных сечениях кожуха и круглых поперечных сечениях сотового элемента, за исключением тех его участков, где расположены выпуклые сегменты, такой сотовый элемент можно вставлять в кожух в любой ориентации всегда с образованием несущих участков в местах повышенной радиальной жесткости сотового элемента. Проходящие в осевом направлении выступы можно формировать сразу же в процессе экструдирования сотовых элементов за одно целое с ними при незначительной модификации сечения экструзионной головки, что не связано с особыми затратами.

Другие преимущества изобретения более подробно рассмотрены ниже на примере описания не ограничивающих вариантов его выполнения со ссылкой на прилагаемые чертежи, которые показывают:
на фиг. 1 - первый вариант выполнения сотового элемента в поперечном сечении,
на фиг. 2 - первый вариант выполнения несущего участка компенсационного слоя в поперечном сечении,
на фиг. 3 - второй вариант выполнения несущего участка компенсационного слоя в поперечном сечении,
на фиг. 4 - второй вариант выполнения сотового элемента в поперечном сечении и
на фиг. 5 - третий вариант выполнения сотового элемента в поперечном сечении.

На фиг. 1 показано поперечное сечение сотового элемента предлагаемой в изобретении конструкции. В этой конструкции сотовый элемент 1 расположен в кожухе 8 и имеет большое количество каналов 5. Каналы 5 проходят в осевом направлении сотового элемента 1. Каждый канал 5 ограничен перегородками 6, 7. В рассматриваемом примере перегородки 6, 7 расположены во взаимно параллельных, соответственно перпендикулярных плоскостях, в результате чего жесткость сотового элемента 1 в радиальном направлении R неоднородна в его окружном направлении U. Стрелками, обращенными в сторону сотового элемента 1, обозначены те направления, в которых радиальная жесткость, соответственно прочность этого сотового элемента максимальна.

Сотовый элемент 1 окружен компенсационным слоем 2. Этот компенсационный слой 2, выполненный в рассматриваемом примере в виде мата из керамического волокна, прилегает к внутренней стенке 9 кожуха 8.

Компенсационный слой 2 имеет несущие участки 3, жесткость которых в радиальном направлении R больше жесткости других участков 4 этого компенсационного слоя 2. Несущие участки 3 расположены в тех местах сотового элемента 1, где последний обладает более высокой радиальной жесткостью. В данном примере по два несущих участка 3 расположены диаметрально друг против друга. Расположение несущих участков 3 зависит от распределения прочностных свойств в сотовом элементе 1. Так, в частности, при наличии шестигранных в сечении каналов, соответственно каналов гексагональной в сечении конфигурации (не показаны), в окружном направлении U сотового элемента предпочтительно предусмотреть шесть расположенных по его периметру с угловым шагом в 60^o несущих участков 3 в тех местах, где радиальная жесткость этого сотового элемента 1 максимальна.

Усилия, действующие со стороны кожуха 8 радиально внутрь, в основном передаются несущими участками 3 компенсационного слоя 2 внутрь сотового элемента 1. Несущие участки 3 по меньшей мере частично проходят в осевом направлении сотового элемента 1. Однако в предпочтительном варианте такие несущие участки 3 проходят по всей осевой длине сотового элемента 1.

На фиг.2 схематично показан один из возможных вариантов выполнения несущего участка 3 компенсационного слоя 2. Этот несущий участок образован вставкой 10, которая выполнена из металлического материала.

На фиг.3 показан другой вариант выполнения несущего участка 3 компенсационного слоя 2, который образован S-образно сложенным в три слоя 11, 12, 13 компенсационным слоем 2.

На фиг. 4 в поперечном сечении показана конструкция сотового элемента, который выполнен в соответствии со вторым вариантом. Кожух 8 в этом варианте имеет в окружном направлении U сотового элемента 1 обращенные радиально внутрь несущие сегменты 16. Такие несущие сегменты 16 выполнены на тех участках сотового элемента 1, где последний обладает повышенной радиальной жесткостью. Действующие со стороны кожуха 8 радиально внутрь силы в основном передаются несущими сегментами 16 и образованными благодаря им в компенсационном слое 2 несущими участками 3 на те участки сотового элемента 1, где последний обладает повышенной радиальной жесткостью, что позволяет избежать повреждения сотового элемента 1 при его установке в кожух 8 и при последующей эксплуатации.

В вариантах по фиг.1 и 4 сотовый элемент 1 необходимо устанавливать в кожух 8 в строго определенном положении относительно последнего. Существует много различных возможностей обеспечить установку сотового элемента в кожух в правильной ориентации относительно последнего и при автоматизированном крупносерийном производстве. Наиболее предпочтительная из них состоит в том, чтобы снабдить сотовый элемент 1 оптически и/или механически распознаваемым вспомогательным позиционирующим приспособлением 18. Однако для сотовых элементов 1 и кожухов 8 с некруглым поперечным сечением, в отношении которых также применимо настоящее изобретение, такое вспомогательное позиционирующее приспособление можно и не предусматривать, поскольку их положение друг относительно друга при сборке однозначно определяется формой их поперечного сечения, например при овальном или эллиптическом сечении.

На фиг. 5 в поперечном сечении показана конструкция сотового элемента, который выполнен в соответствии с еще одним вариантом и представляет собой каталитический нейтрализатор. В этом варианте сотовый элемент 1 имеет на тех участках периметра, на которых его радиальная жесткость является наибольшей, обращенные радиально наружу выпуклые сегменты 17, образующие в компенсационном слое 2 несущие участки 3. Предпочтительно, чтобы такие выпуклые сегменты 17 образовывали плоские выступы, проходящие по всей осевой длине сотового элемента 1, что позволяет изготавливать сотовый элемент экструзией. Указанные выступы оказывают на компенсационный слой 2 такое же действие, что и несущие сегменты 16 по фиг.4, за исключением того, что выпуклые сегменты 17 всегда расположены на сотовом элементе 1 в требуемой ориентации, тогда как несущие сегменты 16 необходимо сначала правильно сориентировать относительно сотового элемента 1.

Очевидно, что несущие участки 3 в компенсационном слое 2 можно выполнять одновременно в самом компенсационном слое 2 и/или кожухе 8 и/или сотовом элементе 1. Так, в частности, несущие участки 3 можно сформировать таким образом, чтобы они попеременно чередовались на кожухе 8, сотовом элементе 1 и/или в компенсационном слое 2.

Настоящее изобретение наиболее пригодно для массового производства таких сотовых элементов, которые необходимы в автомобилестроении для нейтрализации отработавших газов. Изобретение позволяет, в частности, простым путем устанавливать тонкостенные керамические элементы в металлические кожухи с обеспечением долгого срока службы такой конструкции. При использовании сотовых элементов подобной конструкции в качестве каталитических нейтрализаторов предлагаемое в изобретении решение позволяет повысить стойкость этих конструкций к знакопеременной термической нагрузке, что допускает их установку вблизи от двигателя. Однако изобретение применимо и в случае сотовых элементов, которые используются в качестве носителей других устройств нейтрализации отработавших газов, таких как углеводородные ловушки, NO_X -накопители, водоуловители и т.д.

Реферат

Изобретение может быть использовано в системах нейтрализации отработавших газов автотракторных средств. Конструкция сотового элемента содержит металлический кожух, в котором размещен собственно сотовый элемент, который имеет множество отделенных друг от друга перегородками каналов и радиальная жесткость которого неоднородна в его окружном направлении (U), а также имеется компенсационный слой, который расположен между кожухом и сотовым элементом по меньшей мере на отдельных участках в окружном направлении (U), при этом указанный компенсационный слой имеет в окружном направлении (U) сотового элемента по меньшей мере два несущих участка, которые воздействуют на сотовый элемент в радиальном направлении (R) с большими усилиями, чем действующие вне этих несущих участков усилия на остальных расположенных в окружном направлении участках, причем упомянутые несущие участки расположены в тех местах сотового элемента, где последний обладает повышенной радиальной жесткостью. Такие несущие участки могут быть выполнены в самом компенсационном слое, могут быть образованы несущими сегментами на кожухе и/или могут быть образованы выступами на сотовом элементе, в каждом случае на тех участках периметра сотового элемента, где последний обладает повышенной радиальной жесткостью. Изобретение обеспечивает прежде всего возможность простой установки тонкостенных керамических экструдируемых элементов в металлические кожухи с обеспечением долгого срока службы такой конструкции. 3 с. и 21 з.п.ф-лы, 5 ил.

Формула