Ячеистое тело, в частности носитель катализатора

 

Изобретение относится к ячеистому телу, в частности к носителю катализатора, из, по меньшей мере, частично структурированных листов, которые образуют стенки большого числа каналов для протекания среды. По меньшей мере, часть листов 1 имеет основную волнистость с гребнями волн 2 и впадинами между ними 3 и предварительно заданную высоту волны H, причем гребни волн (2) и/или впадины между волнами (3) снабжены большим числом особых элементов 4,5, высота h,h которых меньше или равна высоте волны H, но преимущественно составляет величину между третью и двумя третями высоты волны. Образованные особыми элементами 4,5 дополнительные каналы для омывания среды внутри ячеистого тела могут заметно повышать активность при той же затрате материалов за счет снижения эффектов пограничных слоев среды. Одновременно снижаются площади поверхностей соприкосновения со смежными слоями листов, благодаря чему обеспечивается оптимальное использование примененного материала для каталитически активных поверхностей. 15 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к ячеистому телу, в частности к корпусу катализатора для автомобилей, выполненному из расположенных слоями по меньшей мере в частичных зонах структурированных листов, которые образуют проточные для среды каналы. Такие носители катализаторов известны в многочисленных вариантах и описаны, например, в патентах Европейского патентного ведомства N А-02 20 468, N А-02 79 159, N А-02 45 737 или А-02 45 736.

Известно, что во многих случаях применения, а также при традиционных размерах таких ячеистых тел поток в каналах является в основном ламинарным, потому что используют каналы, имеющие очень небольшое поперечное сечение. В таких условиях у стенок каналов образуются сравнительно плотные пограничные слои потока, которые снижают контакт с ядром течения в каналах со стенками. Диффузионные процессы между ядром течения и пограничными слоями, хотя это частично и компенсируют, однако уже делались попытки внести улучшения путем специального структурирования ячеистого тела.

Из патента ФРГ N 11 92 624 известно, например, изготовление ячеистого тела из большого числа последовательно расположенных дисков, каналы которых смещены в направлении потока один относительно другого. Собранный таким образом корпус имеет во внутренней части постоянно новые обтекаемые кромки, на которых происходит разделение потока. При этом друг за другом располагают преимущественно диски из спиралеобразно навитых гладких или волнистых листов, причем направление витка все время меняется. Во-первых, такой прием очень дорог в техническом отношении из-за необходимости изготовления большого числа маленьких дисков, а во-вторых, этот прием ведет к неравномерному расположению смещенных один относительно другого каналов, что отрицательно сказывается на покрытии и последующей эксплуатации каналов.

В патентах Европейского патентного ведомства N А-01 52 560 и N А-01 86 801 описаны возможности осуществления той же идеи, которые более благоприятны в отношении технического исполнения, потому что ячеистое тело не должно собираться из нескольких дисков. Впрочем, описанные волнистые формы приводят к тому, что значительная часть поверхности используемых листов наложена одна на другую, в результате чего происходит нежелательное сокращение используемой для каталитического контактирования поверхности в соотношении с количеством используемого материала.

В обобщающей статье М.Nonnenmann: "Neue Metalltrager fur Abgaskatalisatoren mit erhohter Aktivitat und innerem Stromung Sausgleich", ATZ Automolltechnische Zeitschrift 91 (1989) 4, с. 195-192, в которой описываются преимущества и действие смещенных относительно друг друга в направлении потока каналов, предложен также вариант, согласно которому вместо слоев гладких листов применяют так называемую микроволнистую ленту, что обеспечивает несколько более благоприятное использование поверхности. Такая микроволнистая лента образует, однако, вместе с гладкими прилегающими плоскостями на имеющих другую структуру листовых лентах крошечные каналы, которые сужаются при последующем нанесении покрытия и в результате этого происходит значительное возрастание потери давления и что приводит к потере активной площади и к ненужному расходу массы для нанесения покрытия. Однако статья свидетельствует о том, что на основании технических возможностей изготовления металлический носитель катализатора более выгоден по сравнению с экструдированным керамическим корпусом-носителем, потому что благодаря конструктивным приемам можно оказывать внутреннее воздействие на гидравлические условия потока. При этом может возникнуть дополнительный эффект, а именно поперечное перемешивание потоков в отдельных каналах через соответствующие соединительные пути или отверстия в стенках каналов.

Задачей настоящего изобретения является создание ячеистого тела, в котором можно использовать преимущества смещенных относительно друг друга внутренних стенок и в котором друг на друга наложены только небольшие части поверхностей отдельных слоев. При этом должны быть приняты во внимание также и технологические возможности изготовления таких ячеистых тел, чтобы оно не было дорогим.

Это достигается созданием такого ячеистого тела, которое состоит, по меньшей мере, частично из структурированных листов, образующих стенки большого числа каналов, через которые протекает среда, причем часть листов имеет основную волнистость с вершинами волн и впадинами между ними и заданную высоту волны. При этом гребни волн и/или впадины волн снабжены большим количеством особых элементов, высота которых меньше или равна высоте волны, преимущественно между одной третью и двумя третями высоты волны. Такое волнистое тело особенно пригодно для использования его в качестве корпуса-носителя катализатора, применяемого преимущественно для автомобилей с двигателями внутреннего сгорания. Особые элементы создают во внутренней части ячеистого тела дополнительные каналы для набегающей среды и образуют вместе с основной волнистостью структуру, которая снижает образование пограничных слоев при протекании среды. Такой корпус имеет при равном расходе материалов более высокое каталитическое действие по сравнению с соответствующим ячеистым телом, не содержащим таких особых элементов. При расположении структурированных листов слоями сокращаются также и контактные поверхности между отдельными слоями благодаря особым элементам.

Принимая во внимание условия потока в таком ячеистом теле, особые элементы должны иметь приблизительную длину от 4 до 20 мм, но преимущественно от 8 до 16 мм, чтобы по возможности не могли образоваться закрытые пограничные слои. Целесообразно, кроме того, располагать на каждом гребне волны и/или на каждой впадине волны последовательно в направлении потока два или несколько особых элементов, чтобы создавать все время новые дополнительные каналы для натекающей среды. Расстояние между двумя следующими друг за другом особыми элементами на гребне волны или впадине волны должно находиться в том же порядке величин, как и длина особых элементов, следовательно, приблизительно от 4 до 20 мм, но преимущественно от 8 до 16 мм.

В зависимости от глубины особых элементов последние могут быть непосредственно рядом друг с другом как на гребне волны, так и на впадине волны, однако из соображений обеспечения стабильности благоприятнее располагать особые элементы на гребнях волн против тех особых элементов, которые находятся со смещением на впадинах, могущим составлять приблизительно до 30 мм и быть преимущественно больше, чем длина особых элементов.

Чтобы увеличить число обтекаемых кромок в ячеистом теле, которые не совпадают между собой по прямой линии, на каждом гребне волны и/или в каждой впадине волны могут быть расположены также два или более особых элемента на различной высоте. При равной затрате материалов таким образом образуются дополнительные обтекаемые кромки, которые вызывают фиктивное подразделение ячеистого тела так, как будто бы оно имеет намного большее число каналов, чем число гребней волн и их впадин основной волнистости.

Для формы основной волнистости, а также для формы особого элемента это не имеет никакого значения, поскольку основная волнистость содержит не слишком плоские гребни волн и впадины, которые могут образовывать большие поверхности прилегания с соседними слоями. Благоприятной формой основной волнистости является зигзагообразная волнистость со слегка округлыми гребнями волн и впадинами, при которой создаются геометрически очень наглядные соотношения особого элемента и образующейся формы каналов.

Благоприятной в технологическом отношении и с точки зрения повышенной эластичности является основная волнистость, которая соответствует развертке эвольвентного зацепления, как это известно из вышеприведенного уровня техники. Особые элементы могут быть, например, V-образными или U-образными с округлыми кромками или переходами к основной волнистости. Кроме того, возможна также форма особых элементов, соответствующая приблизительно форме зубьев эвольвентного зацепления.

Особые элементы могут также в особом выполнении изобретения оказывать влияние на направление потока, если боковые поверхности особых элементов не проходят параллельно потоку. Этого можно достичь, например, благодаря различной высоте каждого выступа на его обеих торцовых сторонах или незначительным наклонным положением относительно средней линии каналов. Такая форма выполнения изобретения благоприятна в случае необходимости в соединении с каналами в возможных промежуточных слоях.

Для распределения температуры в ячеистом теле может быть целесообразным особые элементы распределять не равномерно, а с возрастанием числа особых элементов на единицу объема в направлении потока. Это создает аналогичное действие, как и в случае конструкции ячеистого тела из дисков с возрастающим числом каналов в направлении потока поверхности поперечного сечения.

Согласно изобретению ячеистое тело может быть выполнено из попеременных слоев гладких или слегка структурированных и волнистых листов с особыми элементами, при этом тело может быть намотанным, иметь покрытие или обмотку. Гофрированные согласно изобретению листы с особыми элементами можно выполнять практически всеми известными способами, которые можно использовать для простого гофрирования листов. Так, например, можно создавать тела из штабеля листов с имеющими в противоположном направлении петли концами или из сложенных штабелей листов с впутанными друг в друга петлями. Под слабо структурированным слоем листов следует понимать при этом слой волнистых листов с небольшой по сравнению с основной волнистостью амплитудой и/или слоем листов, структурированных поперек движения потока с небольшой амплитудой, который, в противоположность основной волнистости, в основном не определяет, однако, величину образующихся каналов в ячеистом теле.

С целью создания благоприятных условий для дополнительного поперечного перемешивания потока в ячеистом теле, можно предусмотреть отверстия также и в гладких или слабо структурированных слоях листов. Это еще больше сужает почти линейные плоскости соприкосновения между гладкими и волнистыми слоями листов, благодаря чему обеспечивается особо благоприятное использование примененного материала для каталитически активных поверхностей.

Все относящиеся к металлическим ячеистым телам известные дополнительные меры улучшения эластичности, стабильности, активности и возможности простоты изготовления в основном можно переносить на настоящее изобретение. Так, например, можно, в частности, контактирующие поверхности слоев листов соединить между собой, по меньшей мере, в частичных зонах пайкой или соединить слои листов с окружающей ячеистое тело трубой-оболочкой стыковочной техникой.

Предмет настоящего изобретения поясняется ниже примерами его выполнения.

На фиг. 1 изображена небольшая часть снабженного по предмету изобретения особыми элементами волнистого листа в перспективе; на фиг. 2 - вырез слоя листов снабженного по предмету изобретения особыми элементами ячеистого тела, вид спереди; на фиг. 3 - слой ячеистого тела согласно изобретению с двумя различными по высоте особыми элементами, вид с торцовой стороны; на фиг. 4 - разрез через часть слоя ячеистого тела согласно изобретению с другой формой основной волнистости и основными элементами.

На фиг. 1 можно видеть небольшую часть структурированного листа 1, снабженного особыми элементами 4 на гребнях волн 2 и особыми элементами 5 на впадинах волн 3. Таким образом из структурированных листов, преимущественно в соединении с гладкими листами в качестве промежуточных слоев, можно интенсивным образом изготавливать ячеистые тела согласно изобретению наслаиванием, навиванием или в форме петлистого штабеля листов. Особые элементы 4, 5 образуют дополнительные каналы для набегания среды 6 внутри такого ячеистого тела, благодаря чему происходит существенное повышение эффективности их работы, не требующее дополнительной затраты материалов. Особые элементы 4 или 5 имеют высоту h или h', причем здесь, в противоположность высоте волны H не требуется соблюдения размеров высоты особых элементов 4, 5, так что отдельные особые элементы 4, 5 могут иметь различную высоту.

Типичная высота волны H для основной волнистости составляет приблизительно от 2 до 5 мм. Высоты h, h' особых элементов 4, 5 должны быть, по крайней мере, несколько меньше, чем высота волны H, чтобы особые элементы не выступали за пределы гребней волн 2 или впадин между волнами 3 и не препятствовали наслаиванию или наматыванию.

Также не должны возникать между особыми элементами и соседними слоями какие-либо мостики нанесенных покрытий. Длина a особого элемента может составлять величину между 4 и 20 мм, но преимущественно приблизительно от 8 до 16 мм. Несколько особых элементов 4, 5 на гребне волны 2 или по впадине между волнами 3 должны располагаться друг за другом на аналогичном расстоянии, то есть на расстоянии b, равном от 4 до 20 мм, но преимущественно от 8 до 16 мм. Из соображений обеспечения стабильности следует предпочитать, чтобы особые элементы 4 гребней волн 2 не располагались непосредственно около особых элементов 5 впадин между волнами 3, хотя это возможно. С конструктивной точки зрения целесообразно смещение c в направлении потока до 30 мм. Смещение c предпочтительно должно быть, во всяком случае, на несколько миллиметров больше, чем длина a особых элементов.

На фиг. 2 показана при виде на торцовую сторону часть слоя из ячеистого тела согласно изобретению в схематическом изображении. Волнистый лист 1, лежащий между двумя смежными гладкими или немного структурированными листами 7, содержит основную волнистость с высотой H на гребнях волн 2 и впадинах между волнами 3. Особые элементы 4, 5 создают дополнительные каналы для набегания среды 6 внутри ячеистого тела. Высоты h, h' особых элементов 4, 5 на фиг. 2 меньше, чем высота волны H и благодаря этому до соответственно смежных гладких или немного структурированных слоев листов 7 остается расстояние d или d'. Это расстояние d, d' такой величины, чтобы при позднейшем покрытии ячеистого тела керамической массой не могли образоваться нежелательные, впоследствии обламывающиеся материальные мостики. Каналы для набегания среды 6 образуют такую структуру, как будто ячеистое тело имеет почти в три раза больше проточных каналов, чем волнистый лист на гребнях волн 2 и во впадинах между волнами 3. Соответственно высокой становится активность при каталитическом превращении, причем для этого нет необходимости в расходе большого количества материала.

На фиг. 3 показан слой ячеистого тела, согласно изобретению, с двумя различными по высоте особыми элементами 4, 4' или 5, 5'. Образуются не находящиеся на одной прямой линии каналы для набегания среды, которые дают ячеистому телу более высокую эффективность по сравнению с эффективностью, которая была бы обеспечена волнистой полосой 1 с заданным числом каналов для набегания среды.

На фиг. 4 можно видеть другие возможные формы выполнения волнистости и особых элементов, показанные в разрезе через слои ячеистого тела, согласно изобретению. Волнистый лист 8, находящийся между двумя гладкими или слабо структурированными пластами 7, имеет приблизительно форму развернутого эвольвентного зацепления. Также и особые элементы 9, 10 имеют форму зубцов эвольвентного зацепления с округлыми переходами к основной волнистости. Гребни волн 11 и впадины между волнами 3 можно в случае необходимости спаивать со смежными гладкими слоями листов 7. Гладкие слои листов 7 могут содержать дополнительно отверстия 12, способствующие лучшему перемешиванию в поперечном направлении протекающей в ячеистом теле среды между отдельными слоями и каналами.

Для изготовления гофрированного по предмету изобретения и снабженного особыми элементами листа согласно фиг. 1 можно гладкую полосу листа сначала пропустить через пару волнистых валков с основной волнистостью, после чего прокатать через пару других волнистых валков для получения небольшой волнистости 13, как это показано штриховкой на фиг. 1, которые обрабатывают только часть ширины полосы листа. Возможны также и другие способы изготовления, например целенаправленное фальцевание листа, шлицованного на кромках для набегания среды. Дальнейшие рабочие операции при изготовлении ячеистого тела не отличаются от рабочих операций, связанных с выполнением просто волнистых листов, которые выполняют согласно уровню техники.

Ячеистые тела согласно изобретению пригодны благодаря своему небольшому весу, незначительному расходу материалов и высокой активности, в частности, в качестве носителя катализатора для автомобилей с двигателями внутреннего сгорания,

Формула изобретения

1. ЯЧЕИСТОЕ ТЕЛО, В ЧАСТНОСТИ НОСИТЕЛЬ КАТАЛИЗАТОРА из по меньшей мере частично структурированных листов 1, 10, образующих большое число каналов 8 для пропускания среды, отличающееся тем, что часть листов 1 содержит основную волнистость с гребнями волн 2 и впадинами между волнами 3 и заданную высоту H волны, при этом гребни волн 2 и/или впадины между волнами 3 снабжены большим числом особых элементов 4,5; 4', 5'; 44, 45, высота которых h, h¹ меньше или равна высоте H волны, но преимущественно равна величине между 1/3 и 2/3 высоты волны.

2. Тело по п.1, отличающееся тем, что длина a особых элементов 4, 5; 4', 5', 44, 45 в направлении потока равна 4 - 20 мм, но преимущественно 8 - 16 мм.

3. Тело по п. 1 или 2, отличающееся тем, что на каждом гребне волны 2 и/или на каждой впадине между волнами 3 содержатся в направлении потока один за другим два или более особых элементов 4, 5; 4', 5'; 44, 45.

4. Тело по п.3, отличающееся тем, что расстояние b между двумя следующими один за другим особыми элементами 4, 4'; 44 или 5, 5'; 45 на гребне волны 2 или во впадине между волнами 3 составляет 4 - 20 мм, но преимущественно 8 - 16 мм.

5. Тело по п. 1, 2, 3 или 4, отличающееся тем, что особые элементы 4; 4'; 44 гребней волн 2 смещены относительно особых элементов 5; 5'; 45 на величину смещения c относительно друг друга в направлении потока, которая составляет между 0 и 30 мм, но преимущественно больше, чем длина a особых элементов 4; 4'; 44.

6. Тело по одному из пп. 1 - 5, отличающееся тем, что два или более особых элементов 4, 4', 5, 5' с различной высотой h, h' содержатся на каждом гребне волны 2 и/или в каждой впадине между волнами 3.

7. Тело по одному из пп. 1 - 6, отличающееся тем, что основная волнистость приблизительно зигзагообразная со слегка округлыми гребнями волн 2 и впадинами между волнами 3.

8. Тело по одному из пп. 1 - 3, отличающееся тем, что основная волнистость соответствует развертке эвольвентного зацепления.

9. Тело по одному из пп. 1 - 8, отличающееся тем, что особые элементы 4, 5; 4', 5'; 44,45 имеют приблизительно V-образную или V-образную форму с округлыми кромками или переходами к основной волнистости.

10. Тело по одному из пп. 1 - 8, отличающееся тем, что особые элементы 4, 5; 4', 5'; 44, 45 имеют приблизительно форму зубьев эвольвентного зацепления.

11. Тело по одному из пп. 1 - 10, отличающееся тем, что особые элементы 4, 5; 4', 5'; 44, 45 имеют на своих концах различную высоту h или h', так что плоскости стенок особых элементов проходят под острым углом к заданному направлению каналов через основную волнистость.

12. Тело по одному из пп. 1 - 11, отличающееся тем, что число особых элементов 4, 5; 4', 5'; 44, 45 на единицу объема в ячеистом теле в направлении образованных основной волнистостью каналов возрастает от одной торцевой стороны к другой.

13. Тело по одному из пп. 1 - 12, отличающееся тем, что ячеистое тело из попеременных слоев гладких или слабо структурированных 10 и волнистых листов 1 обвиты, покрыты слоем или петлями особых элементов 4, 5; 4', 5'; 44, 45.

14. Тело по п.13, отличающееся тем, что гладкие или слабо структурированные листы 10 содержат отверстия 11.

15. Тело по п.13 или 14, отличающееся тем, что гребни волн 2 и впадины между волнами 3 образуют только узкие плоскости соприкосновения с гладкими слоями листов 10.

16. Тело по п.15, отличающееся тем, что плоскости соприкосновения слоев листов 1, 10 спаяны одна с другой по меньшей мере в частичных зонах.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4