сотовый каркас

Формула изобретения

1 1. Сотовый каркас, в частности, несущий каркас для катализатора выхлопных газов, ограниченный двумя противоположными торцами и одной расположенной между ними боковой поверхностью и содержащий намотанные, уложенные в штабель или сложенные иным образом в пакет слои из по крайней мере одного листа, причем слои соединены таким образом, что образована по крайней мере одна электропроводная цепь, проходящая через сотовый каркас, отличающийся тем, что электропроводная цепь имеет электрическое сопротивление, неоднородно распределенное вдоль цепи.2 2. Каркас по п.1, отличающийся тем, что цепь ограничена в слоях выемками, в частности отверстиями, и/или углублениями, и/или пазами, лист имеет по крайней мере одну заблокированную зону, в которую электрический ток не проходит в значительной степени.2 3. Каркас по п.2, отличающийся тем, что цепь расположена главным образом вблизи одного из торцов.2 4. Каркас по пп.1 3, отличающийся тем, что цепь имеет одну нагревательную зону и одну подводящую зону, причем подводящие зоны и нагревательные зоны электрически соединены по последовательной схеме, при этом нагревательные зоны имеют электрическое сопротивление, которое превышает сопротивление в подводящих зонах.2 5. Каркас по п.4, отличающийся тем, что нагревательная зона расположена на некотором расстоянии от боковой поверхности.2 6. Каркас по п. 4 или 5, отличающийся тем, что нагревательная зона расположена вблизи одного из торцов.2 7. Каркас по одному из пп.4 6, отличающийся тем, что слои в нагревательной зоне снабжены выемками, в частности отверстиями, и/или углублениями, и/или пазами.2 8. Каркас по п.7, отличающийся тем, что каждой выемке соответствует некоторая конфигурация, по которой выемку огибает электрический ток, при этом каждая выемка выполнена перпендикулярно направлению тока. 2 9. Каркас по одному из пп.2, 3, 7 или 8, отличающийся тем, что по крайней мере часть выемок выполнена в виде отверстий и/или пазов, а другая часть в виде углублений.2 10. Каркас по одному из пп.2, 3, 7 или 8, отличающийся тем, что выемки выполнены в виде отверстий и/или пазов.2 11. Каркас по пп. 1 10, отличающийся тем, что слои выполнены путем поочередного стыкования одного в основном гладкого первого листа и одного волнистого или рифленого второго листа, при этом только первый лист имеет выемки.2 12. Каркас по п. 11, отличающийся тем, что первый и второй листы имеют некоторое удельное электрическое сопротивление, причем удельное электрическое сопротивление второго листа значительно превышает удельное электрическое сопротивление первого листа.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к сотовому каркасу из намотанных, уложенных в штабель или иным образом сложенных в пакет слоев из, по крайней мере, одного листа, в котором эти слои образуют множество пронизываемых некоторым газом и в основном параллельных между собой каналов и электрически соединены между собой таким образом, что получается, по крайней мере, одна электропроводная цепь для прохождения тока через сотовый корпус с целью нагрева последнего.

Сотовые каркасы находят многообразное применение в качестве несущих каркасов для катализаторов, предназначенных для каталитического преобразования способных вступать в реакцию составных частей газов или жидкостей. Особой областью применения сотовых каркасов с катализаторами является каталитическая очистка выхлопных газов в двигателях внутреннего сгорания, в частности в автомобилях. Для этого в выхлопных системах двигателей внутреннего сгорания устанавливают сотовые каркасы с каталитическим покрытием, через которые во время работы двигателя проходят образующие выхлопные газы.

Сотовые каркасы изготовляются из керамических масс или из металлических листов. Для образования металлического сотового каркаса укладывают в пакет, наматывают по спирали или складывают иным образом слои из, по крайней мере, частично гофрированного, волнистого или иным подобным образом структурированного листа. Возможности такого образования описаны в патентах ЕР 0223058 В1, ЕР 0245737 В1, ЕР 0245738 В1, US-PS 4753918 и US-PS 4822766, в публикациях WО89/10470 А1, WO89/10471 А1 и WO90/0320 А1, а также в германском описании промышленного образца DE8908738 1.

Катализаторы для превращения способных вступать в реакцию составных частей проходящего через них газа или жидкости оказывают свое каталитическое действие только при превышении некоторой предельной температуры, характеризующей данный катализатор и катализируемую реакцию так называемой "температуры срабатывания". Для катализаторов, способствующих превращению вредных веществ в выхлопных газах двигателей внутреннего сгорания, температура срабатывания составляет обычно несколько сот градусов Цельсия. Для того, чтобы катализатор вступил в действие, его надо нагреть до температуры выше температуры срабатывания. В системе выхлопа автомобиля это обычно происходит под действием проходящего через катализатор выхлопного газа, в связи с чем каталитический эффект проявляется лишь с некоторым запаздыванием относительно момента пуска двигателя внутреннего сгорания. Для того, чтобы сократить это запаздывание, уже известно применение электронагрева катализатора или несущего его сотового каркаса, соответствующие указания можно найти в описаниях WO89/10470, кл. F 01 N 3/20 А1, WO89/10471, кл. F 01 N 3/20 A1 и DE8908738 U1. Листовые слои, образующие сотовый каркас, электрически соединены между собой таким образом, что получается по крайней мере одна цепь для прохождения тока через сотовый каркас; кроме того, сотовый каркас снабжен контактами для подвода тока, к которым через соответствующие коммутационные устройства подключается источник тока, например аккумуляторная батарея автомобиля.

Сотовый каркас обычного размера и обычной конструкции для применения в системе выхлопа автомобиля требует для нагрева в течение достаточно короткого времени расхода мощности порядка от нескольких сот ватт до более 4 кВт, соответственно электрическая сеть, применяемая в пассажирских автомобилях, должна при напряжении тока около 12 В обеспечивать для нагрева сотового корпуса силу тока более 400 А. При этом создает проблемы то обстоятельство, что электрическое сопротивление обычного сотового каркаса в лучшем случае составляет несколько тысячных долей ома; следовательно, из источника тока с напряжением 12 В такой сотовый каркас стал бы отбирать ток силой св. 100 А, что недопустимым образом нагружало бы обычную электросистему автомобиля, особенно аккумуляторную батарею. Уже известны меры, позволяющие повысить электрическое сопротивление сотового каркаса. Согласно 0 89/10470 А1 и 89/10471 А1 электронагреваемые сотовые каркасы разделяются щелями и(или) электроизоляционными промежуточными прокладками между слоями каркаса таким образом, чтобы получалась, по крайней мере, одна цепь для прохождения тока через каркас с электрическим сопротивлением такой величины, которая при напряжении в диапазоне значений, применяемых в электросистемах автомобилей, приводила бы к появлению в сотовом каркасе тока приемлемого уровня и вызывала бы надлежащий нагрев каркаса. Предложено также вместо одного сотового каркаса с катализаторным покрытием применять два сотовых каркаса, из которых электронагреваемый меньший каркас расположен перед электрически ненагреваемым большим каркасом, причем оба сотовых каркаса имеют в основном одинаковый диаметр, но меньший каркас значительно короче большого. Только из-за меньших размеров малому каркасу можно придать большее электрическое сопротивление чем большому, поэтому меньший сотовый каркас можно при ограниченной нагрузке источника напряжения сравнительно быстро довести до температуры, превышающей температуру срабатывания, после чего в выхлопном газе, проходящем последовательно через меньший и больший сотовые каркасы, начинается каталитическая реакция, что, поскольку реакция является экзотермической, способствует дальнейшему ускоренному нагреву большого сотового каркаса, в котором в конце концов осуществляется основная часть каталитического превращения. Согласно описанию DE 8908738 UI листовые слои, предназначенные для изготовления сотового каркаса, могут быть снабжены отверстиями.

Путем введения отверстий можно увеличить удельное сопротивление листов, благодаря чему создается сотовый каркас со сравнительно большим электрическим сопротивлением. Однако это мероприятие, как вообще все мероприятия, направленные на уменьшение толщины листа, применяемого для образования сотового каркаса, теряет свою эффективность по мере увеличения размеров сотового каркаса. Увеличение сотового каркаса известного типа при сохранении соотношения его размеров всегда приводит к уменьшению электрического сопротивления, в связи с чем рекомендации согласно известному уровню техники связаны с ограничением размеров сотового каркаса. Однако это означает, что согласно известному уровню техники в системах, превышающих определенные размеры, необходимо применять сотовые каркасы из двух частей, что связано с дополнительными затратами.

В соответствии с этим предлагаемое изобретение направлено на создание сотового каркаса, в котором электрическое сопротивление цепи, по которой проходит нагревательный ток, независимо от конкретных размеров каркаса всегда отрегулировано на такое значение, которое позволяет осуществить электронагрев посредством заданного напряжения в течение надлежащего времени с ограниченным нагружением источника электрического напряжения.

Согласно изобретению предлагается сотовый каркас, который прежде всего пригоден служить в качестве несущего каркаса для катализатора выхлопных газов, ограничен двумя противоположными торцами и, по меньшей мере, одной расположенной между ними боковой поверхностью и состоит из намотанных, уложенных в штабель или сложенных иным образом в пакет слоев из, по крайней мере, одного листа, причем

а) эти слои образуют множество пронизываемых газом каналов, каждый из которых выходит своими отверстиями в торцы;

б) образована, по крайней мере, одна электропроводная цепь, проходящая через сотовый каркас;

в) эта цепь имеет электрическое сопротивление, неоднородно распределенное вдоль цепи.

Изобретение исходит из того, что на пространственное распределение нагрева электрическим током в сотовом каркасе можно повлиять, разграничив в этом каркасе несколько участков, имеющих разные электрические сопротивления; пространственное распределение этих участков может определить собой распределение проходящего через сотовый каркас тока, а распределение нагрева вдоль электропроводной цепи можно управлять путем местного повышения электрического сопротивления. Таким образом, путем целенаправленного увеличения электрического сопротивления соответствующих участков листовых слоев можно создать зоны, сильнее нагреваемые электрическим током. Далее путем соответствующего конструктивного оформления листовых слоев можно целенаправленно повлиять на форму электрической цепи в сотовом каркасе таким образом, чтобы получился неоднородный нагрев, особенно хорошо приспособленный к конкретной конструкции и виду применения.

Неоднородное распределение электрического сопротивления вдоль цепи прохождения тока через патентуемый сотовый каркас достигается особенно легко благодаря тому, что эта цепь ограничена в слоях выемками, в частности отверстиями, пазами или углублениями, и что имеется, по крайней мере, одна заблокированная зона, куда электрическому току особенно эффективно прегражден путь. Такими выемками могут быть, например, данные пазы, ограничивающие электропроводную цепь. Тогда электропроводная цепь образована из, по крайней мере, одной полосообразной части листа, которая, далее, для получения неоднородного распределения сопротивления может иметь вдоль своей длины переменную ширину. Вместо длинного паза, проходящего в основном вдоль электропроводной цепи, можно также предусмотреть достаточно большое число выемок, каждая из которых располагается в основном поперек направления электропроводной цепи. Система таких выемок оказывает электрическому току высокое, хотя и конечное, сопротивление и существенно способствует концентрации электрического тока в заданном участке.

Изобретение позволяет свободно подбирать положение электропроводной цепи в сотовом корпусе. В связи с этим целесообразный вариант патентуемого сотового корпуса состоит в том, что электропроводную цепь располагают вблизи одного из обоих торцов. Снабженный катализаторным покрытием сотовый корпус обычно используют таким образом, что пропускают через его каналы газ, обычно выхлопной, содержащий способные вступать в реакцию составные части. Разумеется, газ пропускается от одного торца к другому; поэтому для создания электропроводной цепи можно выбрать тот торец, через который газ входит в сотовый каркас. Так как во многих случаях применения каталитическая реакция является экзотермической, ее можно использовать в качестве источника тепла для нагрева сотового каркаса; для того, чтобы оптимальным образом использовать эту возможность, следует для введения каталитической реакции предпочитать электронагрев сотового каркаса на участке того торца, через который в каркас входит газ. Начавшаяся благодаря электронагреву каталитическая реакция вводит в газ тепло, под действием которого могут нагреваться участки каркаса, расположенные дальше по ходу потока. Кроме того, усиленный нагрев упомянутого торца имеет то преимущество, что можно ослабить и по возможности устранить охлаждение сотового корпуса проходящим газом, температура которого гораздо ниже температуры срабатывания катализатора.

Целесообразный вариант патентуемого сотового корпуса любой конструкции отличается тем, что электропроводная цепь имеет, по крайней мере, одну нагревательную и, по крайней мере, одну подводящую зону, причем подводящая и нагревательная зоны соединены по последовательной схеме, а подводящая зона имеет заметно меньшее электрическое сопротивление чем нагревательная, вследствие чего нагрев в подводящей зоне существенно уступает нагреву в нагревательной зоне. Таким образом, в электропроводной цепи участки для распределения электрического тока (подводящая зона) отделены от участков, которые должны быть в основном нагреты (нагревательная зона). Тем самым можно интенсифицировать неоднородность нагрева сотового каркаса и придать ей форму, способствующую получению оптимального нагрева.

Целесообразно для уменьшения потерь тепла путем теплопроводности и (или) излучения расположить нагревательную зону на некотором расстоянии от боковой поверхности, благодаря чему, несмотря на то, что путем теплопроводности и (или) теплоизлучения обеспечивается достаточно большое нагревание краевого участка сотового каркаса, отвод тепла из каркаса все-таки остается ограниченным до достаточно малого уровня. Как уже отмечалось, размещение нагревательной зоны вблизи одного из двух торцов является, без сомнения, целесообразным, так как этим способом можно использовать тепло, возникающее во время каталитической реакции, для дальнейшего нагрева сотового каркаса.

Образование нагревательной зоны целесообразно осуществлять таким образом, что, слои, находящиеся в нагревательной зоне, снабжаются выемками, в частности углублениями или отверстиями. Образование отверстий целесообразно производить путем штамповой вырубки; для образования углублений можно применить методы чеканки и травления, причем можно использовать и соединение в одном пакете нескольких слоев из, по крайней мере, одного перфорированного и одного неперфорированного листа.

В благоприятной разновидности изобретения в рамках любого исполнения форму выемок, которая влияет на электрическое сопротивление различных зон сотового каркаса, приспосабливают к распределению электрического тока в каркасе. Каждой выемке соответствует некоторое направление тока, а именно то, в котором ток огибает выемку; целесообразно выполнить выемку в виде длинного паза, перпендикулярно к соответствующему направлению тока. Путь, по которому должен пройти ток, становится в этом случае особенно большим, достигается особенно большое среднее удельное сопротивление соответствующей зоны сотового каркаса, что особенно желательно для сотового каркаса, используемого в автомобиле.

В рамках любого исполнения изобретения выемки могут представить собой как отверстия, так и углубления (участки с уменьшенной толщиной листа). В зависимости от конкретного назначения можно предусматривать, в частности, частично отверстия и частично углубления или же только отверстия.

В отличие от изоляционных слоев из керамики или иных подобных материалов (применение которых данное изобретение ни в коей мере не исключает) листы с выемками не создают никаких проблем с точки зрения механической прочности, по крайней мере до тех пор, пока количество и расположение выемок ограничены надлежащим образом. Те участки сотового каркаса, в которых листы снабжены выемками, в принципе можно путем геометрического стыкования листовых слоев сделать столь же прочными, как и участки, в которых листовые слои лишены выемок; нет никаких "посторонних тел", которые нельзя было бы сразу соединить с листом и тем самым по возможности усилить прочность сотового каркаса.

Еще одна разновидность изобретения отличается тем, что слои образованы путем поочередного стыкования, по крайней мере, одного в основном гладкого первого листа и, по крайней мере, одного волнистого или рифленого второго листа, причем выемки имеются только в первом гладком листе. Пути прохождения электрического тока через волнистый или иным образом структурированный лист всегда гораздо больше путей в гладком листе; поэтому преимущества рассматриваемого изобретения достигаются уже тогда, когда выемками снабжен только первый лист. Это особенно удобно с точки зрения рациональной технологии изготовления, поскольку не требуется многократная обработка листов, образующих сотовый каркас. Следует отметить, что в дополнение к патентуемому структурированию листов в сотовом каркасе можно предусмотреть изоляционные слои; такие изоляционные слои могут служить, например, для изоляции структурированных гладких листов относительно неструктурированных волнистых листов. Изоляционные слои можно создать, например, путем газопламенного или иного подобного напыления керамического покрытия.

Описанные выше формы исполнения данного изобретения можно видоизменить целесообразным образом, подобрав материал и (или) толщину первого и второго листа таким образом, чтобы удельное электрическое сопротивление второго волнистого или иным образом структурированного листа было гораздо больше, чем у первого гладкого листа. Таким способом достигается еще большее вытеснение электрического тока из второго листа и наиболее полно обеспечивается возможность создания заблокированных зон (см. выше).

Дальнейшее разъяснение сути изобретения производится с помощью примеров исполнения, иллюстрируемых чертежами. В частности, показаны: на фиг. 1 снабженный выемками гладкий лист для применения в патентуемом сотовом каркасе простого исполнения; на фиг. 2 и 3 другие примеры исполнения листов, из которых изготовляется патентуемый сотовый каркас; на фиг. 4 и 5 сотовый каркас согласно данному изобретению.

На фиг. 1 изображен гладкий лист 2, который вместе с другими гладкими и волнистыми или иным образом структурированными листами того же рода можно применить для изготовления патентуемого сотового каркаса. Изображена только одна половина гладкого листа 2; лист 2 следует представлять себе симметричным относительно средней линии 11. Через лист 2, встроенный в патентуемый сотовый каркас, проходит для нагревания электрический ток, направление 14 которого указано стрелкой. Ток подводится к листу 2 или отводится от него в первом контактном выступе 15 и во втором не показанном контактном выступе. В листе 2 есть нагревательная зона 12 и подводящая зона 13, причем нагревательная зона имеет гораздо большее электрическое сопротивление, чем подводящая. Подводящая зона 13 служит прежде всего для распределения электрического тока, который подводится или отводится в контактном выступе 15, тепло возникает в первую очередь в нагревательной зоне 12. Электрическое сопротивление листа 2 в нагревательной зоне увеличено при помощи выемок 8. Эти выемки 8 заставляют электрический ток пройти по меандровому пути вокруг выемок 8. Тем самым, с одной стороны, удлиняется путь электрического тока через нагревательную зону 12, а с другой стороны уменьшается поперечное сечение, имеющееся в листе 2 для прохождения тока. В примере, показанном на фиг. 1, электропроводная цепь 7 соответствует всему листу 2, так как через весь этот лист ток протекает однородно, если отвлечься от локально ограниченных эффектов на выемках 8 и в контактном выступе 15. Форма выемок 8 выбрана такой, чтобы сопротивление нагревательной зоны было возможно больше. В частности, выемки 8 выполнены в виде отверстий 8, проходящих перпендикулярно к направлению тока 14. Увеличения электрического сопротивления нагревательной зоны 12 можно было бы достигнуть и в том случае, если бы выемки 8 были не отверстиями, а всего лишь углублениями. Правда, в этом случае описанные выше эффекты появились бы лишь в ограниченном объеме, однако в зависимости от конкретного назначения этого могло бы оказаться достаточным.

На фиг. 2 показан еще один пример гладкого листа 2 для изготовления патентуемого сотового каркаса. В этом листе 2 ширина электропроводной цепи 7 не соответствует полной ширине листа 2, поскольку четырьмя длинными пазами 9 в качестве электропроводной цепи 7 отделен полосообразный участок листа 2. На узких сторонах листа 2 электропроводная цепь 7 имеет сначала с каждой стороны подводящую зону 13, в которую или из которой поступает электрический ток; в середине листа 2 тоже имеется подводящая зона 13. Далее, между двумя подводящими зонами 13 имеется каждый раз нагревательная зона 12, причем электрическое сопротивление каждой нагревательной зоны 12, как и в предыдущем примере, увеличено отверстиями 8. Как и на фиг. 1, здесь показаны удлиненные отверстия 8, разумеется, можно применить и выемки иной формы в зависимости от конкретных требований. В заблокированные зоны 10, примыкающие к широким сторонам листа 2, ток, проходящий по цепи 7, практически не проникает. Следует указать на возможность альтернативного применения листа согласно фиг. 2: его можно подключить к источнику тока, во-первых, обеими подводящими зонами 13 по узким сторонам листа 2 и, во-вторых, по одной из широких сторон листа 2. Благодаря этому в рамках изобретения можно осуществить V-образную электропроводную цепь 7, можно также пропустить ток через участки, которые в рамках первого упомянутого применения листа 2 согласно фиг. 2 были предусмотрены в качестве заблокированных зон, опять в узкие стороны и оттуда вывести к источнику тока.

На фиг. 3 представлен вариант гладкого листа согласно фиг. 2, показанные в нижней части листа 2 пазы 9 для ограничения электропроводной цепи 7 укорочены по сравнению с примером исполнения согласно фиг. 2 и на их место помещены длинные выемки 8, определяющие собой заблокированную зону 10 с электрическим сопротивлением, величина которого исключает сколь-нибудь заметное проникновение туда электрического тока. Нагревательные зоны 12 созданы путем сужения цепи 7; сравнительно высокое электрическое сопротивление каждой нагревательной зоны 12 достигается только путем сужения поперечного сечения цепи 7. В зоне средней линии 11 нет никаких выемок, а пазы 9 располагаются на некотором расстоянии от средней линии 11. Поэтому здесь поперечное сечение проводника для тока, проходящего по цепи 7, увеличено, вследствие чего образована центральная подводящая зона 13.

На фиг. 4 показано, как можно образовать сотовый каркас 1 согласно изобретению. Штабель из гладких листов 2 и структурированных листов 3 изогнут в виде буквы, причем отдельные витки штабеля отделены друг от друга керамическими изоляционными элементами 16, которые выступают до боковой поверхности 6 сотового каркаса. Боковая поверхность 6 образована двумя примерно полукруглыми боковыми листами 17, которые разделены изоляционными элементами 16. Каждый боковой лист 17 имеет контактный выступ 15 для подвода тока. Электропроводная цепь для прохождения тока, нагревающего сотовый каркас 1, намотана так же как и штабель. Ток проходит через сотовый каркас 1 прежде всего в направлении слоев, образованных листами 2 и 3. Правда, переходы от слоя к слою возможны, но больше всего они связаны с обходом. Электрический ток проходит предпочтительно в слоях, образованных гладкими листами 2, поскольку пути через эти слои наиболее коротки. Эта концентрация тока в гладких листах 2 усиливается иногда, если волнистые листы 3 вследствие соответственно уменьшенной толщины и (или) применения неодинаковых материалов обладают повышенным удельным электрическим сопротивлением по сравнению с гладкими листами 2. Как правило, преимущества, достигаемые посредством рассматриваемого изобретения, достигаются уже тогда, когда только гладкие листы 2 снабжены выемками или иными подобными изменениями формы.

На фиг. 1 показан еще один вариант сотового каркаса 1 согласно изобретению. Сотовый каркас 1 имеет контактные выступы 15 на одном торце 5; два таких контактных выступа 15 находятся вблизи боковой поверхности 6, а один выступ 15 расположен на среднее линии 11. Для пропускания электрического тока через сотовый каркас контактные выступы 15 вблизи боковой поверхности 6 соединены по параллельной схеме; ток протекает в радиальном направлении между контактными выступами 15 вблизи боковой поверхности 6 и выступам 15 вблизи средней линии 11. Участок сотового каркаса, непосредственно примыкающий к боковой поверхности 6, выполнен в виде подводящей зоны 13 с малым электрическим сопротивлением, таким образом, электрический ток может почти с равномерным распределением проникать из внешних участков сотового каркаса к центральной линии 11. Между обеими подводящими зонами 13 имеется полая цилиндрическая нагревательная зона 13; в ней в первую очередь происходит выделение тепла электрическим током. Форму нагревательной зоны 12 можно для равномерного нагревания сотового каркаса с одновременным устранением потерь тепла оптимизировать при помощи боковой поверхности 6.

Рассматриваемое изобретение дает возможность получить электронагревательный сотовый каркас, электрические параметры которого независимо от конкретных механических размеров согласованы с имеющимся источником тока, причем пространственное распределение нагрева в сотовом каркасе можно приспособить к конкретным механическим и эксплуатационным требованиям. Патентуемые сотовые каркасы особенно пригодны для применения в качестве обогреваемых носителей катализаторов, предназначенных для превращения вредных веществ, содержащихся в выхлопных газах двигателей внутреннего сгорания, например, с искровым зажиганием, так как при помощи таких сотовых каркасов можно при каждом пуске двигателя практически немедленно активизировать катализаторы.