Сотовая конструкция с кожухом и многослойная структура для сотовой конструкции

 

Изобретение относится к системам нейтрализации отработавших газов (ОГ) ДВС и наиболее пригодно для крепления сотовых элементов из тонкостенной керамики при установке их в системах нейтрализации ОГ транспортных средств вблизи двигателя и для теплоизоляции сотовых элементов относительно кожуха. Сотовая конструкция содержит кожух, в котором расположен окруженный прослойкой сотовый элемент. Прослойка выполнена из нескольких слоев, образованных по меньшей мере одним листом металлической фольги и по меньшей мере двумя слоями керамического материала. Предпочтительно прослойка выполнена из теплоизоляционного слоя, листа металлической фольги и набухающего мата, при этом концы листа фольги закрывают с торцов по меньшей мере один из указанных слоев. Наиболее целесообразно для изготовления сотовой конструкции использовать в качестве прослойки слои в виде предварительно изготовленной многослойной структуры. Изобретение позволяет снизить передачу тепла излучением от сотового элемента кожуху. 2 с. и 14 з.п.ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к сотовой конструкции с кожухом, в котором расположен сотовый элемент, окруженный прослойкой из нескольких составляющих ее слоев. Подобные конструкции используются в первую очередь в системах нейтрализации отработавших газов (ОГ) транспортных средств, в частности в каталитических нейтрализаторах с керамическими сотовыми элементами.

Из описания к немецкому промышленному образцу 8019813 уже известна система крепления керамических сотовых элементов, при использовании которой сотовый элемент помещают в металлический кожух заключенным в так называемый набухающий мат. Такой набухающий мат способен, набухая, заполнять пустоты, возникающие из-за различий свойств кожуха и сотового элемента, а также обусловленные производственными допусками, и обеспечивает тем самым надежную фиксацию сотового элемента в течение длительного срока эксплуатации всей конструкции. Обычно набухающие маты содержат кусочки слюды, которые впитывают влагу до тех пор, пока в окружающем их пространстве имеется свободное место, и увеличиваются при этом в размерах. Для придания подобным набухающим матам устойчивой формы его армируют гофрированным матом из плетеной проволочной сетки. С целью защиты набухающего мата от износа, проявляющегося с торцовых сторон сотового элемента, на торцах последнего необходимо предусматривать газонепроницаемые уплотнительные кольца, закрывающие заполняемый набухающим матом зазор.

Поскольку сотовые элементы в системах выпуска ОГ нагреваются при работе до температуры 900^oС и выше, и от действия столь высокой температуры необходимо защищать детали, находящиеся вблизи от всей сотовой конструкции, между кожухом и сотовым элементом, как известно, предусматривают теплоизолирующую прослойку.

Такой теплоизолирующей прослойкой может служить воздушная прослойка, которая за счет присущих воздуху низких свойств теплопроводности и тепловой конвекции изолирует кожух от действия высоких температур, возникающих в сотовом элементе при использовании указанной сотовой конструкции.

В качестве альтернативы или в дополнение к теплоизолирующей воздушной прослойке предусматривают, как известно, прослойку, выполненную из керамического материала. И в данном случае теплоизоляция кожуха относительно сотового элемента достигается за счет низких свойств теплопроводности и тепловой конвекции используемых керамических материалов. Поскольку вышеуказанные набухающие маты, используемые для фиксации сотовых элементов, при очень высокой окружающей температуре, например свыше 800^oС, отдают воду и при этом подвергаются усадке, что может ослаблять фиксацию сотового элемента в кожухе, у определенных подвергаемых высоким нагрузкам сотовых конструкций необходимо обеспечивать теплоизоляцию этих набухающих матов относительно сотового элемента, для чего, как уже известно, сотовый элемент сначала снабжают теплоизоляцией и лишь затем обертывают набухающим матом.

Однако при температурах свыше примерно 600^oС теплопередача происходит не только за счет теплопроводности и тепловой конвекции, но и за счет теплового излучения, доля которого во всем процессе теплопередачи с увеличением температуры существенно возрастает. Вместе с тем от этого теплового излучения известные и описанные выше типы теплоизоляции, а также набухающие маты защищают лишь незначительно.

Еще один недостаток известных сотовых конструкций заключается в том, что под действием горячих пульсирующих отработавших газов наблюдается интенсивный износ расположенных между кожухом и сотовым элементом изолирующих прослоек на торцовых участках сотовой конструкции. Под действием пульсирующего потока ОГ в процессе работы изнашивается даже обладающая сама по себе высокой стойкостью к истиранию керамическая прослойка, в результате чего теплоизоляция между сотовым элементом и кожухом при эксплуатации сотовой конструкции с течением времени может быть повреждена или разрушена, что в свою очередь может вызвать повреждение, а при определенных условиях даже и разрушение всей сотовой конструкции в целом.

Исходя из изложенного, в основу настоящего изобретения была положена задача разработать такую сотовую конструкцию, которая позволила бы снизить передачу излучением тепла от сотового элемента кожуху или набухающему мату и при этом предпочтительно позволила бы предотвращать или по меньшей мере снижать износ прослойки. Кроме того, еще одной задачей изобретения является разработка соответствующей многослойной структуры так называемого "сэндвичевого" типа, которая позволила бы упростить изготовление указанной сотовой конструкции.

Согласно изобретению указанная задача решается с помощью сотовой конструкции с кожухом, в котором расположен окруженный прослойкой сотовый элемент, при этом указанная прослойка имеет несколько составляющих ее слоев, которые образованы по меньшей мере одним листом металлической фольги и по меньшей мере двумя слоями керамического материала.

Предпочтительно по меньшей мере один из слоев керамического материала выполнен в виде набухающего мата, способного за счет набухания в результате впитывания влаги заполнять смежные с ним пустоты.

При этом следует отметить, что по меньшей мере один из слоев керамического материала обладает очень низкой теплопроводностью.

Предпочтительно также слои керамического материала выполнить в виде по меньшей мере одного мата из волокна.

Согласно изобретению целесообразно по меньшей мере один лист металлической фольги и по меньшей мере один слой керамического материала соединить между собой с образованием многослойной структуры, которую предпочтительно по меньшей мере один раз обернуть по периметру вокруг сотового элемента.

При этом многослойная структура может иметь керамический слой с высокими теплоизолирующими свойствами, лист металлической фольги и набухающий мат, которые предпочтительно расположить в указанном порядке по направлению изнутри наружу.

Желательно по меньшей мере один лист металлической фольги по меньшей мере с одного торца сотового элемента пластически деформировать таким образом, чтобы он закрывал с этого торца по меньшей мере один соседний с ним слой керамического материала.

Причем по меньшей мере один лист металлической фольги при этом должен быть загнут с торца вокруг края соседнего с ним слоя керамического материала.

В сотовой конструкции согласно изобретению все листы металлической фольги, включая их при необходимости подвергнутые пластической деформации участки, и все слои керамического материала, которые при необходимости соединены с указанными листами металлической фольги с образованием многослойной структуры, должны быть структурированы, прежде всего гофрированы, что позволило бы с небольшими усилиями сгибать листы металлической фольги вокруг сотового элемента.

Задача решается также с помощью предложенной многослойной структуры, предназначенной прежде всего для сотовой конструкции согласно изобретению и имеющей по меньшей мере один лист металлической фольги и два соединенных с ним керамических слоя волокнистого материала.

Многослойная структура согласно изобретению образована по меньшей мере одним листом металлической фольги, керамическим теплоизоляционным слоем волокнистого материала, расположенным с одной стороны листа металлической фольги, и расположенным с другой стороны листа металлической фольги слоем волокнистого материала, содержащего набухающий материал, прежде всего слюду.

Многослойная структура при этом может быть образована несколькими листами металлической фольги, чередующимися с керамическими слоями.

Предпочтительно листы металлической фольги выполнить из стойкого к высокотемпературной коррозии материала, прежде всего из содержащего хром и алюминий сплава железа.

Предпочтительно также, чтобы листы металлической фольги имели толщину менее 50 мкм, предпочтительно менее 30 мкм, были по меньшей мере с одной стороны, предпочтительно с двух противоположных сторон, загнуты вокруг края по меньшей мере одного соседнего керамического слоя.

Целесообразно многослойной структуре придать такую форму, предпочтительно гофрировку, чтобы ею можно было легко обернуть сотовый элемент, но при этом в основном без образования вне сотового элемента каналов, сквозь которые мог бы проходить поток отработавших газов.

Преимущество, связанное с наличием в прослойке согласно изобретению нескольких слоев, содержащих по меньшей мере один лист металлической фольги, заключается в снижении передачи тепла излучением от сотового элемента кожуху. Предлагаемая сотовая конструкция обладает также высокими теплоизолирующими свойствами, позволяющими снизить обусловленную теплопроводностью конвективную передачу тепла, поскольку согласно изобретению предусмотрено несколько слоев, также имеющих по меньшей мере один слой керамического материала. Сказанное справедливо прежде всего в тех случаях, когда керамический материал обладает очень низкой теплопроводностью.

Еще одно преимущество предлагаемого в изобретении решения состоит в том, что оно позволяет закрыть полости, возможно остающиеся при изготовлении или образующиеся при эксплуатации в сотовой конструкции между кожухом и сотовым элементом, когда по меньшей мере одним из выполняемых из керамического материала слоев служит набухающий мат, который за счет набухания в результате впитывания влаги выбирает примыкающие к нему пустоты. В результате обеспечивается надежная и прочная фиксация сотового элемента.

Выполненная в соответствии с изобретением прослойка также позволяет достичь определенных преимуществ и с технологической точки зрения, поскольку выполнение одного слоя из листа металлической фольги позволяет простым путем изготавливать сотовую конструкцию, в частности обертыванием сотового элемента такой прослойкой. Прежде всего в том случае, когда по меньшей мере один лист металлической фольги и по меньшей мере один керамический слой соединены в "сэндвичевую" структуру, сотовый элемент можно просто обертывать полученной прослойкой по периметру, а именно по меньшей мере однократно или же - при более высоких требованиях к изоляции - многократно. Кроме того, многослойную структуру можно также изготавливать в виде двух предварительно сформированных половин, разъемных по продольной оси.

Согласно следующему предпочтительному варианту выполнения изобретения по меньшей мере один лист металлической фольги закрывает по меньшей мере с одной торцовой стороны сотового элемента соседний керамический слой. Благодаря этому обеспечивается наиболее эффективная защита прежде всего пульсирующих от втекающих в сотовую конструкцию горячих ОГ, подвергаемых нейтрализации, поскольку в этом случае их поток более не может непосредственно набегать на керамический слой, что исключает тем самым износ последнего.

Предусмотренные согласно изобретению листы металлической фольги и при необходимости соединенные с ними керамические слои предпочтительно выполняют структурированными, прежде всего гофрированными, преимущество чего состоит в возможности сгибать металлические листы фольги вокруг сотового элемента с приложением лишь незначительных усилий.

Другие преимущества и отличительные особенности изобретения более подробно рассмотрены далее на примерах описания предпочтительных вариантов его выполнения со ссылкой на прилагаемые, выполненные без соблюдения масштаба чертежи, на которых показаны: на фиг. 1 - общий вид в перспективе выполненной по первому варианту сотовой конструкции, показанной под углом с торцовой стороны с местным разрезом, на фиг.2 - продольный разрез части сотовой конструкции по фиг.1, на фиг.3 - еще один вариант выполнения сотовой конструкции в продольном сечении на участке торцовой стороны, на фиг.4 - общий вид в перспективе предлагаемой в изобретении многослойной структуры с местным разрезом, на фиг.5 - общий вид в перспективе предлагаемой в изобретении гофрированной многослойной структуры с местным разрезом.

На фиг.1 схематично без соблюдения масштаба показан общий вид в перспективе предлагаемой в изобретении сотовой конструкции 1 с местным разрезом. Сотовый элемент 3 имеет отделенные друг от друга перегородками 4, 5 каналы 6, сквозь которые в направлении по стрелке S может проходить поток текучей среды, предпочтительно поток отработавших газов (ОГ) от двигателя внутреннего сгорания. Сотовый элемент предпочтительно представляет собой экструдированный керамический сотовый элемент, прежде всего так называемое тонкостенное керамическое изделие. Подобные керамические сотовые элементы, а также сотовые элементы, выполненные из тонких металлических листов, должны быть прочно и надежно закреплены в трубчатом кожухе 2, при этом дополнительно необходима их теплоизоляция относительно последнего. В рассматриваемом варианте выполнения указанную фиксацию и изоляцию обеспечивает теплоизоляционный слой 8 керамического материала, лист металлической фольги 9 и еще один слой 10 керамического материала, предпочтительно набухающий мат. Эти три составляющих слоя образуют вместе прослойку 7, которая, с одной стороны, надежно удерживает сотовый элемент 3 в трубчатом кожухе 2, а другой стороны, обеспечивает высокоэффективную теплоизоляцию. Теплоизоляционный слой 8 предотвращает прежде всего обусловленную теплопроводностью конвективную передачу тепла от сотового элемента 3 металлической фольге 9. Кроме того, металлическая фольга 9 служит экраном, отражающим тепловое излучение, благодаря чему температура слоя 10 керамического материала при эксплуатации сотовой конструкции в системе выпуска ОГ транспортного средства уже значительно ниже, чем температура самого сотового элемента 3. Благодаря этому даже при использовании набухающего мата в качестве слоя 10 керамического материала нагрев сотовой конструкции допустим до очень высоких рабочих температур типа тех, например, которые возникают в устройствах нейтрализации ОГ, расположенных близко к выпускному коллектору двигателя, прежде всего в каталитических преобразователях. Следует отметить, что толщина кожуха 2 в целом составляет 0,5-1 мм, тогда как в качестве листов металлической фольги 9 преимущественно используют очень тонкую фольгу, в частности с толщиной менее 50 мкм, предпочтительно даже менее 30 мкм. Металлическая фольга 9 предпочтительно должна быть выполнена из стойкого к высокотемпературной коррозии материала, в частности из содержащей хром и алюминий стали. Слоями 8, 10 керамического материала обычно являются маты из волокна, применение которых для фиксации керамических сотовых элементов известно, с такой толщиной, которая требуется для компенсации предусмотренных производственными допусками отклонений размеров и формы кожуха 2 и сотового элемента 3 и для надежного их соединения в течение длительного срока эксплуатации. Следует также подчеркнуть, что в целях повышения эффективности изоляции от теплового излучения можно предусмотреть несколько расположенных последовательно в радиальном направлении слоев металлической фольги и несколько слоев керамического материала.

На фиг. 2 еще раз наглядно показана радиальная структура предлагаемой в изобретении простой сотовой конструкции на примере фрагмента продольного сечения этой конструкции. При этом в направлении изнутри наружу последовательно расположены сотовый элемент 3, теплоизоляционный слой 8 керамического материала, металлическая фольга 9, набухающий мат 10 и кожух 2.

На фиг.3 показан предпочтительный вариант выполнения изобретения в зоне торца сотового элемента на примере части продольного сечения, проходящего через сотовую конструкцию. Поскольку пульсирующие горячие ОГ могут, как известно, приводить к износу керамических материалов, в частности матов из волокна, набухающих матов и т.п., с одного или, что предпочтительно, с обоих торцов предлагаемой в изобретении сотовой конструкции, необходимо предусмотреть соответствующую защиту. Такая защита у обычных конструкций может быть обеспечена с помощью защитного кольца или уступа в кожухе. Однако в изобретении предусмотрено иное очень эффективное решение, а именно загибание листа(-ов) металлической фольги вокруг краев выполненных из керамического материала соседних слоев для их защиты с торцов. В варианте выполнения по фиг.3 сотовый элемент 3 обернут листом металлической фольги 11, вокруг которого расположен керамический слой 8, затем снова следует лист металлической фольги 9, и после него еще один слой 10 керамического материала. При этом в соответствии с изобретением концы 12, 13 листов металлической фольги 9, 11 пластически деформированы таким образом, что они загнуты (сфальцованы) вокруг краев соответствующих прилегающих к ним керамических слоев 8, 10. В простейшем случае подобную структуру можно получить, вначале обернув сотовый элемент 3 листами металлической фольги 9, 11 таким образом, чтобы они выступали с торцов за слои 8, 10 керамического материала, а затем загнуть эти выступающие концы 12, 13 соответствующим инструментом за края слоев 8, 10 керамического материала. При этом указанное загибание концов можно осуществлять в соответствии с тем, как это показано в представленных вариантах выполнения, т.е. загибать концы 12, 13 листов металлической фольги 9, 11 под кожух 2. Однако эти концы 12, 13 можно также заделывать в сварной шов, соединяющий кожух 2 с примыкающей к нему частью системы выпуска ОГ.

Наиболее целесообразно для изготовления предлагаемой в изобретении сотовой конструкции выполнять используемые в качестве прослойки 7 слои в виде предварительно изготовленной многослойной, или "сэндвичевой", структуры 17, соответственно 27.

Соответствующий вариант выполнения представлен на фиг.4. В этом варианте с одной стороны листа металлической фольги 9 расположен теплоизоляционный слой 8 керамического материала, например приклеенный к нему. С другой стороны листа металлической фольги 9 расположен набухающий мат, при этом концы 14 листа металлической фольги 9 загнуты вокруг краев набухающего мата 10. Подобной структурой можно обертывать сотовый элемент или предварительно изготавливать, изначально придавая ей цилиндрическую или овальную форму. Если теплоизоляционный слой 8 выполнен из длинных керамических волокон, то степень, в которой он подвержен износу пульсирующими ОГ, не очень высока, благодаря чему набухающий мат 10 оказывается достаточно надежно защищен загнутыми вокруг его краев концами 14 листа металлической фольги 9.

На фиг. 5 показан возможный вариант формирования многослойной, или "сэндвичевой", структуры с загнутыми на концах 15 листами металлической фольги 9, позволяющий повысить гибкость этой структуры при обертывании ею, например, цилиндрического сотового элемента. Несмотря на то, что металлическая фольга 9 является очень тонкой, формируемая из нее многослойная структура с загнутыми краями обладает сравнительно высокой жесткостью. Для восстановления гибкости всей этой многослойной структуры ей с помощью валков для прокатки гофрированного листа можно придать волнистую форму с гофрами 18, которые показаны на фиг.5, но в сильно увеличенном виде. В принципе гофрировки с очень плоской формой гофров уже достаточно для придания многослойной структуре необходимой гибкости. Загнутые концы 15 листа металлической фольги 9 при этом сплющивают на концевом участке 16. Относящийся к многослойной структуре 27 слой 8 керамического материала и расположенный внутри металлической фольги 9 набухающий мат 10 предотвращают образование вне сотового элемента 3 каналов, сквозь которые мог бы протекать поток ОГ, даже несмотря на наличие у многослойной структуры 27 небольшой волнистости с гофрами 18.

Предлагаемое в изобретении решение наиболее пригодно для использования в сотовых конструкциях, применяемых в каталитических нейтрализаторах ОГ, которые располагают в транспортных средствах близко к двигателю. При этом обеспечивается надежное крепление металлических или керамических сотовых элементов с особо тонкими стенками и одновременно достигается эффективная теплоизоляция сотового элемента относительно его кожуха. Предпочтительной областью применения такого решения являются сотовые конструкции, в которых используются керамические сотовые элементы в виде так называемых тонкостенных керамических изделий с толщиной стенок менее 100 мкм, предпочтительно менее 50 мкм.

Формула изобретения

1. Сотовая конструкция (1) с кожухом (2), в котором расположен окруженный прослойкой (7) сотовый элемент (3), при этом указанная прослойка (7) имеет несколько составляющих ее слоев (8, 9, 10), которые образованы по меньшей мере одним листом металлической фольги (9; 11) и по меньшей мере двумя слоями (8; 10) керамического материала.

2. Сотовая конструкция по п.1, отличающаяся тем, что по меньшей мере один из слоев (8; 10) керамического материала является набухающим матом (10), способным за счет набухания в результате впитывания влаги заполнять смежные с ним пустоты.

3. Сотовая конструкция по п.1 или 2, отличающаяся тем, что по меньшей мере один из слоев (8) керамического материала обладает очень низкой теплопроводностью.

4. Сотовая конструкция по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что слои (8, 10) керамического материала образованы по меньшей мере одним матом из волокна.

5. Сотовая конструкция по любому из пп.1-4, отличающаяся тем, что по меньшей мере один лист металлической фольги (9; 11) и по меньшей мере один слой (8; 10) керамического материала соединены между собой с образованием многослойной структуры (17; 27), которая предпочтительно по меньшей мере один раз обернута по периметру вокруг сотового элемента (3).

6. Сотовая конструкция по п. 5, отличающаяся тем, что многослойная структура (17) имеет керамический слой (8) с высокими теплоизолирующими свойствами, лист металлической фольги (9; 11) и набухающий мат (10), которые предпочтительно расположены в указанном порядке по направлению изнутри наружу.

7. Сотовая конструкция по любому из пп.1-6, отличающаяся тем, что по меньшей мере один лист металлической фольги (9; 11) по меньшей мере с одного торца сотового элемента (3) пластически деформирован (12; 13; 14; 15) таким образом, что он закрывает с этого торца по меньшей мере один соседний с ним слой (10; 8) керамического материала.

8. Сотовая конструкция по п.7, отличающаяся тем, что по меньшей мере один лист металлической фольги (9; 11) загнут (12; 13; 14; 15) с торца вокруг края соседнего с ним слоя (10; 8) керамического материала.

9. Сотовая конструкция по любому из пп.1-8, отличающаяся тем, что все листы металлической фольги (9; 11), включая их при необходимости подвергнутые пластической деформации участки (12; 13; 14; 15), и все слои (8, 10) керамического материала, которые при необходимости соединены с указанными листами металлической фольги (9; 11) с образованием многослойной структуры (17; 27), структурированы (17), прежде всего гофрированы (18), что позволяет с небольшими усилиями сгибать листы металлической фольги (9; 11) вокруг сотового элемента (3).

10. Многослойная структура (17; 27), предназначенная прежде всего для сотовой конструкции (1) по любому из пп.1-9 и имеющая по меньшей мере один лист металлической фольги (9; 11) и два соединенных с ним керамических слоя (8) волокнистого материала.

11. Многослойная структура по п.10, отличающаяся тем, что она образована по меньшей мере одним листом металлической фольги (9; 11), керамическим теплоизоляционным слоем (8) волокнистого материала, расположенным с одной стороны листа металлической фольги (9; 11), и расположенным с другой стороны листа металлической фольги (9; 11) слоем (10) волокнистого материала, содержащего набухающий материал, прежде всего слюду.

12. Многослойная структура по п.10 или 11, отличающаяся тем, что она образована несколькими листами металлической фольги (9; 11), чередующимися с керамическими слоями (8; 10).

13. Многослойная структура по любому из пп.10-12, отличающаяся тем, что листы металлической фольги (9; 11) выполнены из стойкого к высокотемпературной коррозии материала, прежде всего из содержащего хром и алюминий сплава железа.

14. Многослойная структура по любому из пп.10-13, отличающаяся тем, что листы металлической фольги (9; 11) имеют толщину менее 50 мкм, предпочтительно менее 30 мкм.

15. Многослойная структура по любому из пп.10-14, отличающаяся тем, что листы металлической фольги (9; 11) по меньшей мере с одной стороны, предпочтительно с двух противоположных сторон, загнуты (12; 13; 14; 15) вокруг края по меньшей мере одного соседнего керамического слоя (8; 10).

16. Многослойная структура по любому из пп.10-14, отличающаяся тем, что ей придана такая форма (18), предпочтительно гофрировка, чтобы ею можно было легко обернуть сотовый элемент (3), но при этом, в основном, без образования вне сотового элемента (3) каналов, сквозь которые мог бы проходить поток отработавших газов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5