CN102089507B - 具有径向不同实施的连接部位的蜂窝体 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种蜂窝体(1)，该蜂窝体至少包括壳体(2)和蜂窝结构(3)，所述蜂窝结构具有多个通道(4)，其中，所述蜂窝结构(3)通过至少一个至少部分具有一定结构的金属层(5)形成，所述金属层形成用于固定所述蜂窝结构(3)的连接部位(6)，所述蜂窝结构(3)的横截面(8)具有径向区(9，10，11)，所述径向区具有连接部位(6)，其中，在所述横截面(8)中，在至少一个所述区(9，10，11)中，所述至少一个至少部分具有一定结构的金属层(5)的内部接触点(7)的至少1％、至多20％形成连接部位(6)，所述连接部位(6)在所述金属层(5)的结构(12)的方向上具有长度(13)，其中，所述连接部位(6)的所述长度(13)在至少两个所述径向区(9，10，11)中彼此不同。

Description

具有径向不同实施的连接部位的蜂窝体
技术领域
本发明涉及一种蜂窝体，所述蜂窝体至少具有壳体和蜂窝结构，所述蜂窝结构具有多个通道。在此，蜂窝结构通过至少一个至少部分具有一定结构的金属层形成，其中，所述金属层与其本身和/或与相邻的层形成固定蜂窝结构的连接部位。这种蜂窝体例如作为排气净化单元的催化剂载体用在移动式排气系统中。
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长度或整个长度上延伸。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(在端面观察的)包括多个通道的区域，在这些区域中实现连接。由此产生端面图案，例如同心环类型、条类型、三角形类型的图案或其它面形图案。
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连接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，尤其是应将连接部位彼此相对地布置成，在蜂窝体内有针对性地实现柔性区域，由此能例如有针对性地调节出蜂窝结构的径向膨胀性能。由此，使蜂窝体例如也具有显著改善的热冲击性能和/或改善的振动性能。
所述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。在此应指明的是，在权利要求中单独提出的特征可以以任意在技术上合适的方式相互组合，从而形成本发明的其他构造方式。尤其是参照附图进行的描述进一步阐明了本发明并附加地给出本发明的特别优选的实施变型方案。
根据本发明的蜂窝体至少包括壳体和蜂窝结构，所述蜂窝结构具有多个通道，其中，所述蜂窝结构通过至少一个至少部分具有一定结构的金属层形成，所述至少一个至少部分具有一定结构的金属层形成用于固定所述蜂窝结构的连接部位，所述蜂窝结构的横截面具有径向区，所述径向区具有连接部位，其中，
-此外，在所述横截面中，在至少一个所述区中，所述至少一个至少部分具有一定结构的金属层的内部接触点的至少1％、至多20％形成连接部位，
-所述连接部位在所述金属层的结构的方向上具有长度，其中，所述连接部位的所述长度在至少两个所述径向区中彼此不同。
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)的金属层(例如形式为薄板)。尽管这种金属层可以被盘绕成例如螺旋形，但金属层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。金属层彼此间的布置结构便使得这些金属层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、即所谓的连接部位处使金属层相互(力锁合(kraftschlüssig))连接。在此，优选使用钎焊连接，尤其是高温真空钎焊连接。因此，通过这些连接部位这样确定金属层间的相对位置，使得蜂窝结构被基本上固定在壳体中。
蜂窝体可被分成多个径向区，其中，至少在一个所述区中仅在非常受限的范围内形成连接部位。因此，在(例如圆环形式的)所述径向区中形成所述至少一个金属层的多个内部接触点。所述接触点大多这样形成：具有一定结构的金属层的一个区段抵靠在(平滑的和/或具有一定结构的)相邻金属层的另一区段上。因此，所述接触点通常是金属层的相邻区段在结构方向上延伸的接触线。因此，在所述至少一个区中，这些接触点的至多20％用于形成使蜂窝结构固定的连接部位，在其余接触点(至少在所考察的横截面中)处不形成连接部位。优选地，连接部位的份额低于接触点的10％或甚至5％。
此外在此提出，所述连接部位沿结构、即沿着内部接触点延伸，并且具有在至少两个径向区中不同实施的长度。在此优选，连接部位的长度总是比整个接触线短。在此需指明的是，在此始终考察蜂窝结构被安装在壳体中并且在室温下的状态。在此，优选选择所述区，以使所述区与多个金属层相交，例如在至少五个金属层上延伸。连接部位的长度的不同构型可以阶跃式地变化，即例如第一径向区中的连接部位长度比另一径向区中的连接部位长度大/小数倍。但也可以实现相邻区中的连接部位长度的连续增长和/或连续减小。
特别优选地，连接部位长度在一个径向区中比在蜂窝结构的半径的方向上更靠外的径向区中小。换言之，连接部位长度向外增大，即变大。在此，原则上也可以在中间设置另一个径向区，连接部位的长度在该径向区中比在更靠内的径向区中小，但最后应在更靠外处再实现一连接部位长度更大的径向区。
此外提出，连接部位长度在所述蜂窝结构的中央最小，而在靠外侧的径向区中最大。这种蜂窝体尤其是针对热交变负荷设计的。例如，当振动性能重要时，相反的构型便是有利的。
根据一种扩展构型提出，在至少一个径向区中连接部位长度小于两个相邻区的连接部位长度。这种构型尤其是涉及形成三个以上径向区的情况，其中，优选使与最外径向区相邻设置的径向区具有较小的(连接部位)长度。由此可建立一柔性区域，在该柔性区域中，尤其是能够基于不同的热负荷来补偿在轴向上不同的热膨胀性能。由此还可能降低径向方向上的传热。同样，在最外区中使连接部位具有较大长度实现了例如在壳体上的可靠连接。
此外提出，连接部位各具有一中心点，其中，在所述结构的方向上，一个径向区的连接部位的中心点与另一径向区的连接部位的中心点错开。通常，所述结构基本上与蜂窝体的轴线平行地延伸，因此在可能情况下也可以参照该轴线来考察连接部位的长度和/或中心点的位置。换言之，不仅连接部位的长度在径向方向上不同，而且所述连接部位的位置就在蜂窝结构中的轴向位置而言也不同。因此，例如中心点更多地形成在蜂窝结构的一个端面附近或另一端面附近。
在此特别优选地，蜂窝结构具有中心轴线和端面，其中，在所述轴线附近的径向区的连接部位的中心点设置成与在至少一个距所述轴线更远的径向区中的连接部位的中心点相比更靠近一端面。换言之，例如在中央附近的连接部位被定位成与一个端面和/或另一端面相邻接。而尤其是较长的、位于径向外侧的连接部位的中心点定位成更靠近两个端面之间的中央。
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
现在借助于附图对本发明的特别优选的实施方案以及技术领域予以详细描述。需要指出的是，附图中所示的实施例不应限制本发明。附图示意性表示：
图1示出蜂窝体的实施方案的横截面，
图2示出连接部位在半径方向上的不同长度的图示，
图3以另一种曲线图示出连接部位的长度的另一图示，
图4示出根据本发明的蜂窝体的构型的纵截面，
图5示出表示连接部位的轴向位置的图示，
图6示出具有排气系统的机动车，
图7示出根据本发明的蜂窝体的另一实施方案的纵截面，
图8示出用于根据本发明的蜂窝体的叠堆的第一细节，以及
图9示出用于蜂窝体的叠堆的另一实施方案的另一细节。
具体实施方式
图1示出蜂窝体1的横截面8的端面视图。在此，蜂窝体1具有金属管形式的圆形壳体2，在该壳体中放置蜂窝结构3。蜂窝结构3利用多个平滑金属层和波形金属层5形成，所述金属层在此布置成S形。通过这些金属层5形成多个通道4，所述通道尤其是由具有一定结构的金属层5的波形结构12形成。通道4以及结构12在此基本上与蜂窝体1的半径14垂直地延伸，即向图示平面中延伸。
例如，从横截面8的中央15起，可将该横截面8分成多个区，即例如分成第一径向区9、第二径向区10和第三径向区11。这些区在此以圆或圆环的形式形成，与此不同的构型也是可能的。在此图中，在下方部分地示意性地表示出，所述各区在半径14的方向上包括多个金属层5。在一个区中，例如对于第三区11所示的，金属层5形成一排接触点7，这些接触点尤其是线形地沿着结构12的极限部形成。如在此(纯粹示意性地)表示的，仅形成非常少的连接部位6。在图1所示的方案中，在所有区中，金属层5彼此间的接触点7的至少1％、至多20％形成连接部位6。
图2示出一图示，该图示用于示例性地示出在各区中的连接部位6的长度13。在此，横坐标表示半径14，而纵坐标表示连接部位6的长度13。即从中央起，在图示中在左侧首先示出第一区9中的连接部位6的长度13。其中该长度设计成在沿径向向外的方向上阶跃式增大。在此之后，示出第二区10中的连接部位6的长度13。在此，该第二区10是一柔性区域27，其中长度13设计成比紧邻第一区9内部的区域的长度小。同样，沿径向更靠外的第三区11也具有长度13较大的连接部位6。在该第三区11内，可再次看到连接部位6的长度13的阶跃增大，其中，在整个横截面上最长的连接部位6也设置在此。仅出于完整性的原因指出，在此仅示意性地示出长度的差别，所述差别也可以设计成明显更大或者也可以设计成明显更小。
如果考察图2中各连接部位6的峰值的变化曲线，则得到一假想的包络线，该包络线可视为关于半径14的长度变化曲线。图3中示例性地示出多个可能的关于半径14的长度变化曲线19。第一长度变化曲线19用实线表示。该第一长度变化曲线连续、稳定地上升。在长度变化曲线19的构型中，可形成任意数量的径向区，其中仍然实现连接部位长度的彼此不同的或逐步增大的条件。在该第一长度变化曲线上方用点线示出另一长度变化曲线19。在此，例如可见在第一区中长度13上升，在第二区中长度不变，然后在第三区中以一阶跃式上升实现长度13的进一步上升。在该另一长度变化曲线上方用虚线示出再一长度变化曲线19，其中，虽然在所有区中都存在长度上升，但在不同的区中长度上升的增长率不同。最后，在最上方用点划线示出最后的长度变化曲线19，该长度变化曲线具有饱和曲线的形式。
图4示意性地示出这种蜂窝体1的构型的纵截面。蜂窝体1在外侧又由壳体2限定边界，在该壳体中放置有蜂窝结构3。蜂窝结构3具有多个通道4，这些通道在端面18之间延伸。在此，通过端面18也确定蜂窝结构3的延伸长度22。在所示的实施方案中，通道4的通道延伸方向21与蜂窝结构3的中心轴线17平行。与该轴线17垂直地标记半径14。
在此，以纵截面示出各连接部位6相对于轴线17、端面18和/或延伸长度22的位置。在此，在沿流动方向20流动的排气入流的端面18的区域中，邻接地形成连接区域，其中，连接部位6较短，例如小于10mm，或者甚至小于5mm。在对置的端面18上，在同心围绕轴线17的第一区9的区域中形成多个具有第一长度的连接部位6。围绕第一区9形成一圆环形式的第二区10，在该第二区中形成具有较大长度的连接部位6，它在此通过加长的阴影来表示。为清楚起见需指出，在此不实现大面积的连接，即用于连接部位6的阴影纯粹是示意性的。在此，原则上仅对于相邻金属层5的预定数量的接触部位形成线形连接部位6。
针对蜂窝结构的这种纵截面的可能细节，图5示例性并示意性地示出连接部位6的长度和位置。在图5的图示中，横坐标表示轴线17，纵坐标表示半径14。在此，接近轴线17的连接部位6的长度13小于远离轴线17的连接部位6的长度。为每个连接部位6同样地标记出一中心点16。可以看出，沿径向设置在不同位置处的连接部位6的中心点16在轴线17的方向上也彼此错开。
图6示意性示出机动车23，该机动车具有发动机24、例如压燃式发动机或火花点火式发动机。在发动机24中产生的排气穿过排气系统25到达至少一个排气处理单元26，其中，所述排气处理单元装备有根据本发明的蜂窝体1。排气处理单元26尤其是考虑催化转化器、吸附器、过滤器、颗粒分离器、重整器、加热器或类似装置。
图7示出蜂窝体1的另一实施方案的纵截面。在此，连接部位6设计成，使得定位在蜂窝结构1的中央15附近的连接部位6的长度13小于定位在壳体2附近的连接部位的长度。此外，在中央15附近的连接部位6的中心点定位在端面18附近，排气沿流动方向20从该端面18排出。在径向的边缘区域中则不同，因为在该边缘区域中连接部位6却居中设置在两个端面18之间。
图8示出一叠堆29，该叠堆29具有多个具有一定结构的金属层和平滑的金属层5(例如形式为薄板和/或金属细丝无纺材料(Feinstdrahtvliesen))。在此示出的叠堆29处于仍未卷绕的状态，即具有基本上为直线的层走向28。此外，用不同的配色示出了金属层彼此间的连接部位6。由于这样的连接部位6(钎焊连接)仅形成在组装状态中，即在壳体内的卷绕状态中，图8尤其是示出附着剂的位置，在绕制过程之后在该附着剂上放置例如粉末状的焊料，所述焊料最后用于形成在此示例性且解释性地示出的关于具有一定结构的金属层5处于上侧的连接位置(在此用暗色标记)和处于下侧的连接部位(在此用亮色标记)。为了定位附着剂和/或焊料，尤其是可利用印刷方法，例如喷墨法形式的印刷法。
在图8下部示出：同类型的下侧连接部位6、在此即朝向下部平滑层5的下侧连接部位6形成一预定距离30，该预定距离例如在层走向28的方向上至少为20mm和/或包括多个结构极限部(波峰和波谷，例如至少20个波峰)。尽管在此示出了连接部位6的规则布置，但这不是绝对必须的。通常，波形金属层5的结构12分别靠置在平滑金属层5上，使得结构12在平滑层5上沿结构延伸方向38，即与层走向28垂直地形成接触线或接触点。图8中的视图示出：在以后的工作中当与层走向28垂直地对金属层5施加力时能够产生膨胀缝37，由此，这些膨胀缝实现了明显更具柔性的蜂窝结构并且实现了与蜂窝结构的热负荷特性和动力负荷特性的更好匹配。
图9示出一种方案，其中，每个连接部位6利用在相邻结构极限部(隆起部31或凹部32)上两个钎焊点33形成。在连接部位6之间设置有具有一定结构的金属层5的多个结构极限部。在这里需指出，通常，在同类型的(用相同颜色示出的)连接部位6之间的结构极限部的数量在层走向28的方向上经常明显大于在此示例性示出的，例如在其间至少存在十五(15)个结构极限部。
此外，由图9可见，平滑的金属层5可具有覆层34，该覆层尤其是避免在便用中通常彼此抵靠的相邻金属层5的(不希望的)扩散连结。尽管该覆层优选设置在平滑金属层和/或波形金属层5的上侧35和下侧36上，但在例外的情况下例如在一侧提供氧化层也可能是足够的。因此，总之应当保证：避免例如由于扩散造成的金属层连接，从而在负荷下能形成较大的膨胀缝37。换言之，作为设计规则可以提出：这种膨胀缝37例如通过平滑金属层5的一个区段和具有一定结构的金属层5的一个区段形成，其中，膨胀缝37通过两个同类的连接部位(在此针对下侧连接部位示出)限定边界，另外，借助具有一定结构的金属层5形成的膨胀缝边界由至少十五(15)个结构极限部形成。由此实现了膨胀缝37的特别强的变形能力或相邻薄板的柔性布置，确切地说在层走向28的方向上并且在与此横向的方向上形成。每个连接部位6的钎焊点的数量被限制到至多三个，尤其是甚至限制到两个，连接部位6的特别优选的构型仅具有刚好一个钎焊点。
参考标号清单
1蜂窝体
2壳体
3蜂窝结构
4通道
5层
6连接部位
7接触点
8横截面
9第一区
10第二区
11第三区
12结构
13长度
14半径
15中央
16中心点
17轴线
18端面
19长度变化曲线
20流动方向
21通道延伸方向
22延伸长度
23机动车
24发动机
25排气系统
26排气处理单元
27柔性区域
28层走向
29叠堆
30距离
31隆起部
32凹部
33钎焊点
34覆层
35上侧
36下侧
37膨胀缝
39结构延伸方向

Claims (6)

1.一种蜂窝体(1)，该蜂窝体至少包括壳体(2)和蜂窝结构(3)，所述蜂窝结构具有多个通道(4)，其中，所述蜂窝结构(3)通过至少一个至少部分具有一定结构的金属层(5)形成，所述至少一个至少部分具有一定结构的金属层形成用于固定所述蜂窝结构(3)的连接部位(6)，所述蜂窝结构(3)的横截面(8)具有径向区(9，10，11)，在所述径向区中具有用于固定所述蜂窝结构(3)的连接部位(6)，其中，
-此外，在所述横截面(8)中，在至少一个所述区(9，10，11)中，所述至少一个至少部分具有一定结构的金属层(5)的内部接触点(7)的1％～20％形成连接部位(6)，和
-所述连接部位(6)在所述金属层(5)的结构(12)的方向上具有长度(13)，其中，所述连接部位(6)的所述长度(13)在至少两个所述径向区(9，10，11)中彼此不同。
2.根据权利要求1的蜂窝体(1)，其中，所述连接部位(6)的所述长度(13)在一个径向区中比在所述蜂窝结构(3)的半径(14)的方向上更靠外的径向区中小。
3.根据权利要求1或2的蜂窝体(1)，其中，所述连接部位(6)的所述长度(13)在所述蜂窝结构(3)的中央(15)最小，而在外侧的径向区中最大。
4.根据权利要求1或2的蜂窝体(1)，其中，在至少一个径向区中所述连接部位(6)的所述长度(13)小于两个相邻区的连接部位(6)的所述长度(13)。
5.根据权利要求1或2的蜂窝体(1)，其中，所述连接部位(6)各具有一中心点(16)，其中，在所述结构(12)的方向上，一个径向区的连接部位(6)的中心点(16)与另一径向区的连接部位(6)的中心点(16)错开。
6.根据权利要求5的蜂窝体(1)，其中，一蜂窝结构(3)具有中心轴线(17)和端面(18)，其中，在所述轴线(17)附近的径向区(9)的连接部位(6)的中心点(16)设置成与在至少一个距所述轴线(17)更远的径向区中的连接部位(6)的中心点(16)相比更靠近一端面(18)。
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