Сотовый элемент с подвергнутой пайке твердым припоем торцевой зоной
Изобретение относится к сотовому элементу, областью применения подобных сотовых элементов является обработка или снижение токсичности отработавших газов (ОГ), образующихся при работе нестационарных двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Сущность изобретения: сотовый элемент (1) с двумя расположенными друг против друга торцами (2), имеет по меньшей мере один корпус (3) и по меньшей мере один образующий каналы (4) металлический слой (5), а также имеет по меньшей мере с одного своего торца (2) по меньшей мере одну подвергнутую пайке твердым припоем зону (6), образующую примыкающий к корпусу (3) обручевидный не содержащий припой участок (7). Далее раскрывается способ изготовления соответствующего сотового элемента, а также указаны предпочтительные области его применения. Техническим результатом изобретения является высокое качество соединения металлического слоя, соответственно металлических слоев с корпусом даже при неблагоприятном соотношении между диаметром и длиной сотового элемента, обеспечение эффективной компенсации различий в величинах теплового расширения компонентов, обеспечение высокой прочности, соответственно приспособляемости в условиях воздействия высоких термических и динамических знакопеременных нагрузок. 4 н. и 5 з.п. ф-лы, 2 ил.
Настоящее изобретение относится к сотовому элементу, имеющему два расположенных друг против друга торца, по меньшей мере один корпус и по меньшей мере один образующий каналы металлический слой. Такой сотовый элемент по меньшей мере с одного своего торца подвергнут пайке твердым припоем в пределах одной зоны. Предпочтительной областью применения подобных сотовых элементов является обработка или снижение токсичности отработавших газов (ОГ), образующихся при работе нестационарных двигателей внутреннего сгорания (ДВС).
У подобных сотовых элементов их корпус обычно изготавливают с толстостенным трубчатым кожухом, а металлический слой обычно образован по меньшей мере одним по меньшей мере частично профилированным листом фольги. Эти компоненты сотовых элементов при их применении по указанному выше назначению подвергаются воздействию высоких термических и динамических знакопеременных нагрузок. По этой причине важное значение приобретает обеспечение долговечного соединения металлического слоя с корпусом сотового элемента, соответственно металлических слоев между собой. При этом, как известно, с корпусом сотового элемента пайкой принято соединять не весь сотовый элемент, а только отдельные его участки с тем, чтобы остальные участки сотового элемента, не соединенные пайкой с его корпусом, могли в некоторой степени компенсировать различия в величинах теплового расширения сотового элемента и его корпуса. Такие пространственно распределенные, соединенные пайкой отдельные участки сотового элемента совместно называют также схемой расположения паяных соединений.
Однако после изготовления прежде всего сравнительно крупных сотовых элементов, которые имеют большой диаметр, но малую осевую длину, случайным образом появлялись дефектные соединения в краевой зоне между металлическими слоями и корпусом. При этом удалось выявить главным образом частичное отсоединение металлических слоев от корпуса сотового элемента с образованием в этом месте своего рода щели. Однако при длительном воздействии нагрузок на сотовый элемент подобная щель приводит при определенных условиях к его полному выходу из строя.
Исходя из вышеизложенного, в основу настоящего изобретения была положена задача по меньшей мере частично устранить рассмотренные выше технические проблемы. Задача изобретения состояла прежде всего в разработке сотового элемента, соответственно способа его изготовления, который обеспечивал бы высокое качество соединения металлического слоя, соответственно металлических слоев с корпусом даже при неблагоприятном соотношении между диаметром и длиной сотового элемента. Одновременно с этим сотовый элемент должен обеспечивать эффективную компенсацию различий в величинах теплового расширения его компонентов, а также должен обладать высокой прочностью, соответственно приспособляемостью в условиях воздействия на него высоких термических и динамических знакопеременных нагрузок.
Указанные задачи решаются с помощью сотового элемента, заявленного в п.1 формулы изобретения, а также с помощью способа его изготовления, заявленного в п.9 формулы изобретения. Различные предпочтительные варианты осуществления изобретения приведены в соответствующих зависимых пунктах формулы изобретения, при этом представленные в них по отдельности отличительные признаки изобретения можно использовать в любых технически и технологически целесообразных комбинациях между собой с получением тем самым других вариантов осуществления изобретения.
Предлагаемый в изобретении сотовый элемент с двумя расположенными друг против друга торцами имеет по меньшей мере один корпус и по меньшей мере один образующий каналы металлический слой и по меньшей мере с одного своего торца имеет по меньшей мере одну подвергнутую пайке твердым припоем зону. Согласно изобретению сотовый элемент имеет в указанной зоне примыкающий к корпусу обручевидный не содержащий припой участок.
Под "торцами" подразумеваются прежде всего те стороны сотового элемента, начиная от которых каналы проходят внутрь сотового элемента. В зависимости от конструктивного исполнения сотового элемента его торцовая поверхность может быть в основном ровной или же может быть выполнена по меньшей мере частично с возвышениями и/или впадинами. Помимо этого торец сотового элемента может также иметь круглый, овальный, многоугольный или иной контур. Оба торца сотового элемента предпочтительно выполнять однотипными с точки зрения их контура и формы и наличия паяной зоны.
Необходимо также отметить, что под "пайкой твердым припоем" или "высокотемпературной пайкой", соответственно под "пайкой" всегда подразумевается метод соединения твердым припоем при температурах выше 450°С. В принципе со стороны одного торца сотового элемента может иметься несколько паяных зон, одна из которых, однако, в этом случае образует наружный не содержащий припой участок. Так, например, у сотового элемента может быть предусмотрено несколько концентричных зон, или наружная граница зоны может определять границу не содержащего припой участка, а ее внутренняя граница может соответственно примыкать к одной или нескольким другим зонам.
Конкретная форма паяной зоны и не содержащего припой участка зависят преимущественно от формы самого сотового элемента, соответственно его корпуса. При выполнении сотового элемента, например, с круглым поперечным сечением одна зона также преимущественно имеет круглую форму, а не подвергнутый пайке участок имеет тем самым кольцевую форму. Аналогичным образом форму зоны согласуют с не цилиндрической формой сотового элемента, по возможности выполняя при этом обручевидный не содержащий припой участок в основном постоянной ширины. Обручевидный не содержащий припой участок проходит при этом непосредственно у корпуса по его внутреннему окружному периметру. Такой участок захватывает при этом по меньшей мере часть металлического слоя, соответственно множество образованных им каналов. При таком выполнении сотового элемента указанные в начале описания проблемы более не возникают.
Сказанное относится прежде всего к сотовым элементам, у которых два расположенных друг против друга торца ограничивают длину сотового элемента, в перпендикулярном направлении к которой сотовый элемент имеет максимальный поперечный размер, отношение которого к длине сотового элемента равняется по меньшей мере 2. В данном случае имеются в виду главным образом сотовые элементы, у которых максимальный размер в поперечном сечении много больше их длины. Так, например, максимальный поперечный размер в основном цилиндрических сотовых элементов составляет по меньшей мере 100 мм или даже 200 мм, соответственно достигает примерно 400 мм. Максимальная же длина подобных сотовых элементов составляет, например, лишь от примерно 50 до 70 мм.
В соответствии с этим отношение максимального поперечного размера сотового элемента к его длине может также составлять по меньшей мере 3,5 или даже превышать 5. Именно при подобных соотношениях размеров сотового элемента предлагаемая в изобретении схема расположения паяных соединений является нетривиальной, поскольку одновременно с этим большой внутренний объем сотового элемента должен длительно сохраняться при действии высоких термических и динамических нагрузок. Эффективность такой схемы расположения паяных соединений удалось подтвердить в ходе испытаний сотового элемента на циклическую стойкость, хотя и при несколько сниженной скорости потока ОГ.
Не содержащий припой участок предлагается далее выполнять со средней шириной, составляющей менее 10% от максимального поперечного размера сотового элемента. В соответствии с этим средняя ширина не содержащего припой участка в предпочтительном варианте не превышает 10 мм и преимущественно составляет от 5 до 10 мм. Однако в большинстве случаев с увеличением максимального поперечного размера сотового элемента предпочтительно увеличивать и среднюю ширину не содержащего припой участка.
В еще одном варианте выполнения предлагаемого в изобретении сотового элемента выполненные пайкой твердым припоем соединения выполнены на части протяженности каналов, начиная от торца сотового элемента. При этом по меньшей мере одна подвергнутая пайке твердым припоем зона занимает по меньшей мере 60%, предпочтительно 80%, торца сотового элемента.
В следующем варианте выполнения предлагаемого в изобретении сотового элемента выполненные пайкой твердым припоем соединения между по меньшей мере одним слоем и по меньшей мере одним корпусом предусмотрены только на по меньшей мере одном отстоящем от торцов сотового элемента отдельном участке. Сказанное означает, например, что по меньшей мере один слой в средней части сотового элемента между его торцами выполнен с окружным отдельным участком. Такие получаемые пайкой твердым припоем соединения предпочтительно выполнять между концами по меньшей мере одного слоя и корпусом. В данном случае речь в наиболее предпочтительном варианте идет о сотовом элементе, слои которого образованы множеством по меньшей мере частично профилированных листов фольги, каждый из которых обоими своими концами соединен с корпусом на отдельном участке. В принципе же для образования слоев сотового элемента можно использовать и другие материалы, такие, например, как проволочные тканые сетки (металлические ткани), нетканые материалы и иные материалы.
Предпочтительно далее наличие у сотового элемента только по одной паяной зоне на торцах и отстоящего от них паяного отдельного участка с выполненными пайкой твердым припоем соединениями между по меньшей мере одним слоем и по меньшей мере одним корпусом. Подобное выполнение сотового элемента позволяет получить в его внутренней части очень большой "приспосабливаемый участок" с одновременным обеспечением при этом прочного и долговечного крепления металлических слоев к корпусу при сравнительно низком расходе твердого припоя. Более подробную информацию в этом отношении можно также найти, в частности, в приведенном ниже описании фиг.1.
Подобным, предлагаемым в изобретении сотовым элементом наиболее предпочтительно оснащать компонент для обработки или снижения токсичности ОГ, образующихся при работе ДВС. В качестве примера такого компонента для обработки или снижения токсичности ОГ можно назвать главным образом каталитические нейтрализаторы, фильтры, улавливатели твердых частиц, абсорберы, элементы риформера или топливного элемента, смесители потоков, теплообменники или иные аналогичные устройства. Предлагаемые в изобретении сотовый элемент и компонент для обработки или снижения токсичности ОГ принимая во внимание их указанные выше и в последующем описании преимущества предлагается использовать прежде всего в транспортном средстве.
Еще одним объектом изобретения является способ изготовления сотового элемента (прежде всего описанного выше предлагаемого в изобретении сотового элемента), заключающийся в выполнении по меньшей мере следующих стадий:
- по меньшей мере один отдельный участок корпуса снабжают твердым припоем,
- свертывают в рулон или скручивают по меньшей мере металлический слой,
- металлический слой по меньшей мере частично вставляют в корпус,
- по меньшей мере одну зону через торец сотового элемента снабжают припоем с образованием при этом примыкающего к корпусу обручевидного не содержащего припой участка и
- сотовый элемент нагревают для образования выполненных пайкой твердым припоем соединений на по меньшей мере одном отдельном участке и в по меньшей мере одной зоне.
При нанесении твердого припоя предпочтительно использовать полосовидный паяльный материал, наносимый на внутреннюю поверхность корпуса. В другом варианте твердый припой можно также наносить на наружный окружной периметр свернутого ранее в рулон, соответственно скрученного ранее металлического слоя. Предпочтительно при этом совместно свертывать в рулон или скручивать множество металлических слоев (при необходимости набранных в несколько пакетов) с приданием им таким путем, например, S-образной, V-образной или иной аналогичной формы в поперечном сечении сотового элемента, чтобы при последующем помещении металлических слоев в корпус каждый из них касался его изнутри своими концами. При снабжении припоем по меньшей мере одной зоны можно сначала пуансоном подавать адгезив, а затем порошковый припой, который в результате прилипает к адгезиву в снабженных им зонах. Со стороны каждого торца сотового элемента предпочтительно предусматривать только по одной единственной снабжаемой припоем зоне. Последующему нагреву сотовый элемент предпочтительно подвергать в высокотемпературной вакуумной печи с образованием при этом паяных соединений в тех местах, в которых предусмотрен твердый припой. Наряду с такими получаемыми пайкой твердым припоем соединениями можно, например, на не снабженных припоем участках создавать другие соединения, такие, например, как диффузионные соединения. Подобные диффузионные соединения способствуют повышению долговечности сотового элемента даже при воздействии на него высоких термических и динамических нагрузок.
Ниже изобретение и необходимые для его реализации технические средства более подробно рассмотрены со ссылкой па прилагаемые к описанию чертежи. На этих чертежах представлены лишь наиболее предпочтительные варианты осуществления изобретения, которыми, однако, его объем не ограничен. На прилагаемых к описанию схематичных чертежах, в частности, показано:
на фиг.1 - выполненный по одному из вариантов сотовый элемент и
на фиг.2 - транспортное средство, которое предпочтительно оснащать подобным сотовым элементом в качестве компонента для обработки или снижения токсичности ОГ.
На фиг.1 схематично в аксонометрии и в продольном разрезе показан сотовый элемент 1 из свернутых в рулон со спиральной навивкой гофрированных и гладких листов фольги 17, которые образуют слои 5 со множеством каналов 4. Такие слои 5 неразъемно соединены с корпусом 3 и, в частности, соединены с ним пайкой твердым припоем.
Сотовый элемент 1 имеет характерную схему расположения паяных соединений, которая образована находящимися у торцов 2 сотового элемента зонами 6 и расположенным между ними проходящим по окружности отдельным участком 12, в которых пайкой твердым припоем выполнены требуемые соединения 13. Особенность такой схемы расположения паяных соединений состоит в том, что подвергнутые пайке твердым припоем зоны 6 образуют по примыкающему к корпусу 3 обручевидному не содержащему припой участку 7. Иными словами, в данном месте радиально вокруг каждой из подвергнутых пайке твердым припоем зон образовано по круговой полоске без выполненных пайкой твердым припоем соединений. В соответствии с этим подвергнутая пайке твердым припоем зона 6 ни в одной своей части радиально не доходит непосредственно до наружного края сотового элемента 1, соответственно до корпуса 3. Подвергнутая пайке твердым припоем зона 6 проходит внутрь сотового элемента 1 на глубину 11 от его торца 2. Подвергнутые пайке твердым припоем зоны 6 со стороны обоих торцов 2 сотового элемента предпочтительно при этом выполнять одинаковой по абсолютной величине глубины 11. Обручевидный не содержащий припой участок выполнен с равномерной по всей окружности шириной 10, которая в предпочтительном варианте в среднем составляет менее 10% от поперечного размера 9 сотового элемента.
Под предлагаемым в изобретении сотовым элементом 1 подразумевается прежде всего сотовый элемент, у которого его длина 8 много меньше его максимального поперечного размера 9. Так, например, соотношение между максимальным поперечным размером сотового элемента и его длиной равняется по меньшей мере 2, предпочтительно по меньшей мере 3,5. Длина 8 сотового элемента определяется в основном расстоянием между обоими его торцами 2. Максимальный поперечный размер 9 сотового элемента в предпочтительном варианте также относится к его торцу 2, при этом при выполнении сотового элемента с неодинаковыми торцами 2 и/или с торцами 2 многоугольной формы максимальный поперечный размер 9 в каждом случае соответствует расстоянию между двумя расположенными диаметрально друг против друга на наибольшем удалении точками.
На фиг.2 проиллюстрирована предпочтительная область применения подобных крупных сотовых элементов 1 в качестве компонента 14 для обработки или снижения токсичности ОГ, образующихся при работе ДВС 15, которым оснащено транспортного средство 16, прежде всего грузовой автомобиль или автобус. ОГ, образующиеся при работе ДВС 15, проходят по соответствующей системе 18 их выпуска ко множеству компонентов 14 для обработки или снижения токсичности ОГ, таких, например, как каталитические нейтрализаторы, фильтры или иные аналогичные устройства. ОГ при своем контакте с компонентами 14 для их обработки или снижения токсичности подвергаются нейтрализации, соответственно обработке, после которой они в конечном итоги могут выбрасываться в окружающую среду.
1. Сотовый элемент (1) с двумя расположенными напротив друг друга торцами (2), имеющий по меньшей мере один корпус (3) и по меньшей мере один образующий каналы (4) металлический слой (5), а также имеющий по меньшей мере с одного своего торца (2) по меньшей мере одну подвергнутую пайке твердым припоем зону (6), образующую примыкающий к корпусу (3) обручевидный не содержащий припой участок (7).
2. Сотовый элемент (1) по п.1, у которого два его расположенных напротив друг друга торца (2) ограничивают его длину (8), в перпендикулярном направлении к которой сотовый элемент (1) имеет максимальный поперечный размер (9), отношение которого к длине (8) сотового элемента равняется по меньшей мере 2.
3. Сотовый элемент (1) по п.1 или 2, у которого не содержащий припой участок (7) имеет среднюю ширину (10), составляющую менее 10% от максимального поперечного размера (9) сотового элемента.
4. Сотовый элемент (1) по п.1 или 2, у которого глубина (11) по меньшей мере одной подвергнутой пайке твердым припоем зоны (6) составляет максимум 10 мм.
5. Сотовый элемент (1) по п.1 или 2, у которого выполненные пайкой твердым припоем соединения (13) между по меньшей мере одним слоем (5) и по меньшей мере одним корпусом (3) предусмотрены только на по меньшей мере одном отстоящем от торцов (3) сотового элемента отдельном участке (12).
6. Сотовый элемент (1) по п.1 или 2, у которого предусмотрено только по одной паяной зоне (6) на торцах (2) и отстоящий от них паяный отдельный участок (12) с выполненными пайкой твердым припоем соединениями (13) между по меньшей мере одним слоем (5) и по меньшей мере одним корпусом (3).
7. Компонент (14) для обработки или снижения токсичности отработавших газов (ОГ), образующихся при работе двигателя (15) внутреннего сгорания, имеющий сотовый элемент (1) по одному из пп.1-6.
8. Транспортное средство (16) с сотовым элементом (1) по одному из пп.1-6 или с компонентом (14) для обработки или снижения токсичности отработавших газов по п.7.
9. Способ изготовления сотового элемента (1), заключающийся в выполнении по меньшей мере следующих стадий:
по меньшей мере один отдельный участок (12) корпуса (3) снабжают твердым припоем,
свертывают в рулон или скручивают по меньшей мере металлический слой (5),
металлический слой (5) по меньшей мере частично вставляют в корпус (3),
по меньшей мере одну зону (6) через торец (2) сотового элемента снабжают припоем с образованием при этом примыкающего к корпусу (3) обручевидного не содержащего припой участка (7), и
сотовый элемент (1) нагревают для образования выполненных пайкой твердым припоем соединений (13) на по меньшей мере одном отдельном участке (12) и в по меньшей мере одной зоне (6).
