CN101960109A - 具有无连接区域的蜂窝体 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种蜂窝体(1)，至少具有壳体(2)、带多个通道(4)的蜂窝结构(3)，其中所述蜂窝结构(3)利用至少一个至少部分具有一定结构的金属层(5)形成，所述金属层形成固定所述蜂窝结构(3)的连接点(6)，此外至多20％的在蜂窝结构(3)的横截面(8)中的内部接触点(7)形成连接点(6)，并且所述连接点(6)如此彼此间隔开，使得围绕所述连接点的无连接区域(9)分别同样大小。

Description

具有无连接区域的蜂窝体

技术领域

本发明涉及一种蜂窝体，所述蜂窝体至少具有一个壳体和一带多个通道的蜂窝结构，其中所述蜂窝结构利用至少部分具有一定结构的金属层形成，所述金属层形成固定所述蜂窝结构的连接点。在此在蜂窝结构的横截面中，至多20％的内部接触点形成连接点。以高的内柔性而出众的这种蜂窝体特别是在车辆发动机的排气系统中用作催化剂载体。

背景技术

在发动机、例如压燃式发动机或火花点火式发动机的排气净化(系统)中的蜂窝体具有表面特别大的优点，由此保证穿流蜂窝体的排气非常紧密地与通道壁接触。基本上由通道壁形成的表面一般涂覆有适合的、可能不同的催化剂，以便能够转化包含在排气中的污染物。

这种蜂窝体原则上可由陶瓷材料或金属材料制成。但近来金属催化剂载体尤其出众，因为这种催化剂载体可通过非常薄的材料、例如厚度小于80μm或甚至小于50μm的薄板加工而成。由此使几何表面非常大，与陶瓷载体结构相比在蜂窝体被穿流时排气流的压力损失明显更小。另外的优点在于，在这种情况下同样能够(将蜂窝体)非常简单地连接在其余的排气系统(例如排气管)上，其原因是各金属材料(能)彼此结合。

然而，在车载排气系统中这种蜂窝结构在其使用周期内承受多种不同的负荷。在此还应考虑到，正是这些局部(有时)极端的负荷的叠加对这种蜂窝体的耐久性产生持续影响。因此，一个重要因素便可以是热负荷，例如极端的温度峰值(高达1000℃以上)、在加热和冷却时显著的温度变化速度以及流入的排气流的温度分布。在机械负荷方面、亦即例如最大加速水平、与固有频率相关的激励频率范围以及在由气体脉动引起的气体动力负荷方面，同样如此。由此可见，正是这种蜂窝体的各单独部件(薄板、壳体等)彼此间的连接区域承受特别高的负荷，所述连接区域应尽可能长时间地承受持续变化的热负荷和/或动力负荷。

已知如下的连接技术，其中为了将金属部件相互连接，将硬焊料(焊料薄板、焊料粉末和/或焊料膏)放置在这种蜂窝体的确定区域中。在蜂窝体的薄板和壳体之间规则地形成条状的环绕区，其中，所述条状的环绕区可以在蜂窝体或壳体的部分轴向长度或整个轴向长度上延伸。为了将薄板相互连接同样已知的是，在蜂窝体的部分轴向区域中、在整个横截面上使所述薄板相互连接。附加和/或替代于此，也可以形成(在端侧观察的)包括多个通道的区域，在这些区域中实现连接。由此产生端侧图案，例如同心环类型、条类型、三角形类型等等的图案。

尽管为设计这种钎焊图已给出多种不同的建议，但是它们在耐久性方面都不能经受住所有在机动车排气系统中目前存在的条件。在确定这种蜂窝体的钎焊图的设计方案时可以考察多个不同的标准，以便既实现足够的柔性，又实现蜂窝结构的耐久性。此外，在制造这种钎焊图时还应考虑，必须以能复现、能精确定位并且工艺可靠的方式实现钎焊连接。

发明内容

基于此，本发明的目的在于，至少部分地解决在背景技术部分中描述的问题。尤其是提出一种蜂窝体，该蜂窝体在机动车排气系统中的极端热加载和动力加载下具有明显改善的使用寿命。在此，尤其是对连接点进行彼此相对的布置，从而得到与蜂窝结构的构造无关的钎焊图。该蜂窝体的显著特征还在于，明显改善了热冲击(温度突变)特性和改善了振动特性。

该目的通过具有权利要求1的特征的蜂窝体来实现。蜂窝体的其它有利构型在从属权利要求中给出。需要指出的是，在权利要求中单独给出的特征可任意地在技术上有意义地彼此组合并给出本发明的其它构型。说明书尤其是结合附图进一步描述了本发明并给出本发明的特别优选的另外的实施方式。

根据本发明的蜂窝体至少具有一壳体和一具有多个通道的蜂窝结构。蜂窝结构利用至少一个至少部分具有一定结构的金属层形成，所述金属层形成固定所述蜂窝结构的连接点。此外，在蜂窝结构的横截面中至多20％的内部接触点形成连接点。所述连接点彼此间隔成使得围绕所述连接点的无连接区域分别大小相同。

关于通道数量优选的是，使蜂窝体的每平方英寸(cpsi)的通道密度在100到1000的范围内，优选在200至600的范围内。另外优选的是，为制造蜂窝体而使用多个平滑的薄板和具有一定结构(例如波纹形)的薄板。尽管这种薄板可以被盘绕成例如螺旋形，但薄板优选具有与此不同的延伸结构，例如S形、V形、W形、U形等等。薄板彼此间的布置结构便使得这些薄板最终均匀地填满蜂窝体的(圆的、椭圆的或者类似形状的)横截面。在多个不同的位置、即所谓的连接点处使薄板相互(力锁合地)连接。在此，优选使用钎焊连接，尤其是高温真空钎焊连接。由此表明，延伸方向或钎焊图一般涉及的是制成(盘绕或卷绕)的蜂窝体。

关于连接点应指出的是，这些连接点用于固定所述至少一个金属层的彼此邻接或彼此贴靠地布置的部段的位置。通常，这些层彼此间形成多个接触点、即相同的或不同的金属层的部段彼此贴靠的部位。正是在考虑通道数量的情况下，每个通道一般形成至少一个接触点，通常形成两个接触点。关于这些接触点应指出，接触点的至多20％用于连接点。特别优选的是，在蜂窝体的横截面内的这些内部接触点的至多10％或者甚至仅有至多1％形成连接点。所述内部接触点并不包括在蜂窝结构或者说金属层与壳体之间形成接触的外部接触点。由此可见，蜂窝结构在横截面中在径向方向上和/或在周向方向上都不是构造成刚性、而是构造成柔性的，由此可持续地承受发动机排气系统中变化的热负荷。

特别是与至少部分具有一定结构的金属层的延伸结构无关，连接点在蜂窝结构的横截面上分布成，使得围绕所述连接点分别形成无连接区域(观察横截面)。这特别是意味着，在该无连接区域中不形成钎焊连接，优选也不形成(不希望的)扩散连接。所述区域可以具有不同的面形状，所述区域优选大致圆形地围绕连接点。在此，如此选择所述区域的尺寸，使得所述区域尽可能大，即在蜂窝结构的所观察的横截面上设置的所有连接点都定位成使彼此间距离尽可能大，其中优选同时实现连接点在横截面上的均匀分布。围绕连接点的无连接区域优选具有在0.5～5cm²的范围内的面积和/或在5～15mm范围内的半径。

在此要进一步考虑，正是对于具有由例如S形卷绕的金属层组成的复杂结构的蜂窝体，应实现在此提出的钎焊图规则。在此，尽管将金属层特定地盘绕或卷绕成蜂窝结构，仍可以选择这样定位连接点，即仅考虑接触点的位置和/或横截面形状，而各层的延伸结构却仅是次要的。尽管这一点可能、即正是当在将各层盘绕或卷绕成蜂窝结构前确定连接点时导致较高的制造技术成本，但连接点在横截面上的均匀分布以令人吃惊的方式最终改善了蜂窝结构的热膨胀性能。

根据蜂窝体的一种扩展方案提出，蜂窝结构利用至少一个板组/叠堆形成，该至少一个板组由彼此交替的多个具有一定结构的薄板以及平滑的金属层构成，其中，在一个具有一定结构的薄板中将连接点定位成交替地朝向相邻的金属层。这尤其是指，将具有一定结构的薄板以及平滑的薄板(或平滑的无纺材料、烧结材料等等)交替地叠置，由此形成板组，接着盘绕和/或卷绕该板组以使蜂窝结构的横截面具有期望的外部形状。如果考察单个具有一定结构的薄板，该薄板具有上侧和下侧，其中，该薄板分别以上侧和下侧与(另外的)金属层相接触。所述(内部)接触点可用于提供连接点。在此提出，在具有一定结构的薄板的方向上，交替地、即一次朝向上侧一次朝向下侧地形成连接点。

此外还提出，沿一个金属层以彼此不同的间距形成连接点。换言之，优选对所有连接点间距都不同。一般地，沿一个金属层该间距也不是恒定地变化，即增大或减小，而是相邻连接点的间距差别很大。在特定情况中，也可以对于一个金属层，所实现的连接点不具有相同的间距。实际设定的间距被预先以计算方式确定，其中最终在制成的蜂窝结构中实现根据本发明的钎焊图。

根据蜂窝体的一种扩展方案提出，连接点是钎焊点，这些钎焊点邻接所述至少部分具有一定结构的金属层的极限部形成。“钎焊点”尤其是指接合技术上的、使用硬焊料的连接部。因此，钎焊点尤其是按照高温真空钎焊方法制造。由结构形成的极限部(例如波峰或波谷)最终形成内部接触点，其中，钎焊点连接在所述接触点上。特别优选的是，极限部本身无焊料材料，即钎焊点在(极限部的)两侧形成侧面焊料条。一个连接点至多包括在(同)一个取向上(即仅波峰或仅波谷)的两个直接相邻的极限部的钎焊点。优选的是，一个连接点仅包括与单个极限部相关的一个钎焊点。

此外也提出，仅在蜂窝结构的在轴线方向上的延伸长度/延伸范围的至少一个分部段中形成连接部位。这尤其是指，仅在通道长度的一部分上形成连接部位。蜂窝结构的延伸长度一般通过其端侧界定，所述端侧允许排气进入蜂窝结构或允许排气离开蜂窝结构。优选地，一个分部段设置在第一端侧附近，而另一分部段设置在第二端侧附近，延伸长度的其余部分的横截面不带有连接点。该分部段从一端侧起延伸例如5～15mm。

根据蜂窝体的一个扩展构型，设有两个在轴线方向上彼此间隔开的分部段，其中，在轴线方向上观察(这两个分部段的)连接点相重叠。这尤其是指，在轴线方向上观察或沿通道观察，第一分部段中的连接点与第二分部段中的另外的连接点相重合。已经证实，这种蜂窝结构在流入侧被加载正的热冲击，而在流出侧被加载负的热冲击。这尤其是意味着，正的热冲击引起径向压应力，由于钎焊部位的分布式布置所述压应力能通过薄板的扭转而得到很好的补偿。另一方面，在排出侧主要是存在例如径向拉应力，利用在此提出的钎焊图使所述拉应力也能得到很好的补偿。尽管如此，也可在其它位置、例如在蜂窝结构的中央轴向区域中设置包括连接部位的至少一个轴向分区或横截面。

高柔性蜂窝结构与壳体的可靠连接可如下地实现：蜂窝结构借助所有金属层、在蜂窝结构的整个延伸长度上与壳体连接。特别优选的是，所有金属层都布置成以其两个端部分别贴靠在壳体上，由此在这些端部的整个延伸长度上与壳体连接，优选利用钎焊连接方式进行连接。

为了节省用于使金属层与壳体连接的焊料材料，例如环绕的条图案也是有利的，即在该环绕的条图案中，蜂窝结构借助于所有金属层、但仅在蜂窝结构的整个延伸长度的一部分上与壳体连接。尤其是在端侧和/或轴向中央的区域中的环绕条可以是有利的，其中，宽度优选为5mm至10mm。

此外优选一种蜂窝体，其中所述至少一个至少部分具有一定结构的金属层具有至少一个翻起部或者开口。优选地，所述层设计成每个通道具有多个翻起部和开口的薄板。在附图中示出优选的设计方案。

这种蜂窝体特别优选应用在排气处理单元中、尤其是在机动车的排气处理单元中。

附图说明

下面借助附图对本发明的特别优选的实施方案以及技术领域进行详细描述。需要指出的是，附图所示的实施例不应对本发明形成限制。附图示意性表示：

图1示出具有排气系统的机动车，

图2示出蜂窝体的实施例变型的纵截面，

图3示出根据本发明的蜂窝体的实施例的横截面，

图4示出用于根据本发明的蜂窝体的板组的第一细节，

图5示出用于蜂窝体的板组的另一实施例变型的另一细节，和

图6示出具有一定结构的金属层的实例。

具体实施方式

图1示意性示出了机动车21的车载排气系统的构造。机动车21具有发动机22，例如火花点火式发动机或压燃式发动机。在发动机22中燃烧的燃料作为排气通过相应的排气管23被引导至排气处理单元20。在排气处理单元20中，包含在排气中的有害物质至少部分地被转化和/或再循环，从而最后仅使相对无害的排气成份流入周围环境中。显然，在这种排气系统中，可以根据多个方面(的因素)来改变这种排气处理单元20的数量、类型和/或位置，下面，这里仅示例性地示出了根据本发明的蜂窝体1的可能的构造方式，蜂窝体1在图中位于在排气管23内。

例如从图2可见蜂窝体1的构造。图2是(圆形的)蜂窝体1沿着其轴线17的纵截面。由壳体2在外侧界定蜂窝体1的边界，壳体2尤其是形成为金属管。在这个壳体2的内部形成有蜂窝体1，蜂窝体3具有多个通道4。所述这些(单独的、彼此之间至少部分分隔开的)通道4在两个端侧25之间延伸并且基本上以彼此平行的方式设置。通道4在此基本上也与轴线17平行地延伸。但这不是绝对必要的。另外，通道壁也不是必须直线地延伸，也可以设置指向轴线17方向的成形结构例如引导面和/或连接相邻通道4的开口。

蜂窝结构3的通道4一般具有催化活性的覆层38，覆层38可以局部地(如在此示出)或在蜂窝结构3的整个延伸长度16上设置。从而使最终沿流动方向26穿流的排气与催化剂接触，所述催化剂促进排气中污染物的转化。为此目的，可以在通道4中或利用通道4形成旋流部位和/或稳定区，所述旋流部位和/或稳定区改善了排气与通道壁的接触。

在蜂窝结构3与壳体2之间构造一表面连接部24(优选为钎焊连接部)，该表面连接部基本上在蜂窝结构3的整个延伸长度16上延伸。由此尤其是保证，为构造蜂窝结构3而设置的全部薄板或金属层都可靠地与壳体2连接。

在两个端侧25附近各以阴影线示出蜂窝结构的其中在横截面中具有连接点的轴向区域。需要表明的是，(尽管整个区域都被画上阴影线)连接点只是各自相距很远地并且可能彼此错开地布置在该区域中。在此，连接点在一端侧25上、在第一分部段14或者第二分部段15上分布在最高15mm、但优选至多5mm的最大宽度上。

图3示出蜂窝体1的、其中形成连接点6的横截面。附图示出壳体2，在该壳体中将S形卷绕的多个平滑的金属层5以及具有一定结构的薄板11交替地、这样布置和卷绕地定位，使得壳体2内的整个横截面8都被填满。相互抵靠的平滑的层5和具有一定结构或波纹状的薄板11形成通道4。在图3中，针对一个层5示例性示出连接点6的布置结构。通过连接点6的不同颜色表明：连接点6设计成在层5的延伸方向28上交替地朝向上侧和下侧。所以连接点6的颜色标记(亮，暗)在延伸方向28上交替。此外，围绕每个连接点6利用虚线圆示出无连接区域9。在此，每个无连接区域9具有相同尺寸37，然而这一点并不是绝对必须的。在此示出的横截面8中可以看出：连接点6在基准部段(Referenzsegment)中的频数/出现次数相同，或者说连接点6在蜂窝结构3的半径36上或在横截面8上的分布非常均匀。

图4示出具有多个具有一定结构的薄板11和平滑的层5(例如薄板或金属无纺材料)的叠堆10。叠堆10在此以仍未卷绕的状态示出，即基本上具有直线的延伸方向28。此外，用不同的配色表示薄板相互间的连接点6。由于仅在装配状态中、即在卷绕状态中才在壳体内部形成这样的连接点6(钎焊连接部)，图4尤其是示出了用于附着剂的位置，在卷绕过程之后将例如粉末状的焊料放置在该位置上，所述焊料最后形成在此仅示例性和说明性地示出的、相对于所述具有一定结构的薄板11在上侧的连接点(在此较暗地示出)和在下侧的连接点(在此较亮地示出)。图4的下部示出，相同类型的下侧连接点、在此亦即朝向位于下方的平滑层5的下侧连接点在延伸方向28上保持例如最少20毫米的指定间距12。在制成的蜂窝体的在此示出的钎焊图中，一般基于：在制成的蜂窝体1的延伸方向28上彼此相邻的连接点不具有恒定的距离12。

图5示出一种方案，其中，每个连接点在相邻的结构极限部13上、即或者在突出部29或者在凹部30上形成两个钎焊点31。在连接点6之间设置有具有一定结构的薄板11的结构的多个极限部13。只是在这里需要指出，在延伸方向上通常在同类型的(用同色表示的)连接部位之间的结构极限部13的数量一般来讲明显高于这里示例性示出的数量，尤其是在其间存在至少15个结构极限部。

此外由图5可见：平滑的层5具有防连接层32。尽管优选在平滑层5(特别是薄板)的上侧34和下侧35上都设置防连接层32，但在特殊情况下在一侧提供氧化层便可能足够。因此对任意情况都还确保，避免例如由于扩散造成的金属层的连接，由此在负荷下可形成较大的小室33。换言之作为设计原则可以保持，例如利用平滑的层5的部段和具有一定结构的薄板11的部段形成这种小室33，其中，通过两个相同类型的连接点(这里示出的是下侧连接点)来界定小室33，另外借助具有至少15个结构极限部13的、具有一定结构的薄板11来形成所述小室的边界。由此，实现了小室33的特别强的变形能力或相邻薄板的柔性布置结构，即在延伸方向28和垂直于该延伸方向上(实现)。

图6示出具有一定结构的层5或具有一定结构的薄板11的一个特别优选的实施方案，针对这种实施方案可在特定情况下应用本发明。层5的复杂结构包括：在延伸方向28上规则重复地设置有确定通道延伸方向27的突出部29和凹部30(波状)并且集成有交替地向上和向下指向的翻起部18，该复杂结构使沿通道流动的排气能够重复转向或形成旋流，由此可反复形成新的流线(通过第一流动方向26的箭头表示)。由于至少非常薄的层5的翻起部18、开口19、突出部29和凹部30，可避免蜂窝体内出现刚性很强的连接，这一点可以通过在此提出的钎焊图来实现。例如，对于突出部29示出连接点6。该连接点由两个放置在突出部29的顶点旁边的钎焊点31组成，这些钎焊点在此条状地、与突出部29平行地形成。这种连接点6尤其是可以这样建立：在钎焊点31的区域中施加(或压上)附着剂，然后将层布置成蜂窝结构，经由端侧、通过通道将焊料粉末输送到附着剂处，最后在对蜂窝结构进行热处理后使附着在该附着剂上的焊料材料形成连接点6。

附图标记列表

1    蜂窝体

2    壳体

3    蜂窝结构

4    通道

5    金属层

6    连接点

7    接触点

8    横截面

9    无连接区域

10   板组

11   薄板

12   间距

13   结构极限部

14   第一分部段

15   第二分部段

16   延伸长度

17   轴线

18   翻起部

19   开口

20   排气处理单元

21   机动车

22   发动机

23   排气管

24   表面连接部

25   端侧

26   流动方向

27   通道延伸方向

28   延伸方向

29   突出部

30   凹部

31   钎焊点

32   防连接层

33   小室

34   上侧

35   下侧

36   半径

37   尺寸

38   覆层

Claims (10)

1.一种蜂窝体(1)，该蜂窝体至少具有壳体(2)和带多个通道(4)的蜂窝结构(3)，其中所述蜂窝结构(3)利用至少一个至少部分具有一定结构的金属层(5)形成，所述金属层形成固定所述蜂窝结构(3)的连接点(6)，此外在蜂窝结构(3)的横截面(8)中至多20％的内部接触点(7)形成连接点(6)，所述连接点(6)彼此间隔成使得围绕所述连接点的无连接区域(9)分别大小相同。

2.根据权利要求1所述的蜂窝体(1)，其特征在于，所述蜂窝结构(3)利用至少一个板组(10)形成，所述至少一个板组由彼此交替的多个具有一定结构的薄板(11)和平滑的金属层(5)组成，其中所述连接点(6)在具有一定结构的薄板(11)中以交替地朝向相邻的金属层(5)的方式定位。

3.根据权利要求1或2所述的蜂窝体(1)，其特征在于，沿一个金属层(5)以不同的彼此间距(12)形成连接点(6)。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的蜂窝体(1)，其特征在于，所述连接点(6)是与至少部分具有一定结构的金属层(5)的极限部(13)邻接形成的钎焊点。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的蜂窝体(1)，其特征在于，仅在蜂窝结构(3)的在轴线(17)方向上的延伸长度(16)的至少一个分部段(14)中形成所述连接点(6)。

6.根据权利要求5所述的蜂窝体(1)，其特征在于，设有两个在轴线(17)方向上彼此间隔开的分部段(14，15)，其中，在轴线(17)方向上观察连接点(6)相重叠。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的蜂窝体(1)，其特征在于，所述蜂窝结构(3)借助所有金属层(5)、在蜂窝结构(3)的整个延伸长度(16)上与所述壳体(2)相连接。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的蜂窝体(1)，其特征在于，所述至少一个至少部分具有一定结构的金属层(5)具有至少一个翻起部(18)或开口(16)。

9.一种排气处理单元(20)，具有至少一个根据权利要求1至8中任一项所述的蜂窝体(1)。

10.一种机动车(21)，具有至少一个根据权利要求9所述的排气处理单元(20)。

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