CN104364485B - 具有倾斜径向向外延伸的孔道的锥形蜂窝体 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种由层(2、3)盘绕和/或层叠形成的蜂窝体(1)，它体具有几何中心轴线(4)、围绕中心轴线(4)旋转对称布置的空腔(5)以及外周面(6)，其中，各层(2、3)近似同心地围绕中心轴线(4)延伸，其中，层(2)中的至少一个至少部分地结构化，从而层(2、3)形成多个能由流体通流的孔道(7)，该孔道从空腔(5)以相对于中心轴线(4)非直角的锥角(α)向外朝向外周面(6)延伸，其中，孔道(7)还具有在所述孔道的延伸路线上从内向外改变的孔道横剖面(7i、7a)。特别通过以下方式产生特殊形状：至少一个结构化的层(2)以和至少一个中间层(3；8；13；23；33)交替的方式布置，其中，这两种层被以螺旋形式彼此上下层叠，其中，结构化的金属片层(2)的形成孔道(7)结构高度的结构高度(H)基本上是恒定的，而孔道横剖面(7i、7a)从内向外增大。中间层(3)可以由简单的金属丝(8)或由特别切开或折叠的平坦的金属片(13；23；33)形成。

Description

具有倾斜径向向外延伸的孔道的锥形蜂窝体
技术领域
本发明涉及一种由层盘绕和/或层叠形成的蜂窝体，该蜂窝体特别在气体净化领域中使用。在特别用于机动车内燃机的排气净化设备中，使用涂覆有催化活性材料的和/或特别设计为用于分离颗粒的蜂窝体，其中，经常将金属材料用于蜂窝体。
背景技术
恰恰在机动车的应用中必须重视不同的框架条件。一方面用于安装排气净化系统的位置是有限的，另一方面该系统在排气系统中不应产生大的压力损失，因为这种大的压力损失对内燃机的效率产生不利影响。
在现有技术中已经已知了大量的用于盘绕或层叠的蜂窝体的结构形式，其中包括具有轴向沿流动方向延伸的孔道的结构形式、具有径向从内部空腔向外延伸到收集室的孔道的结构形式以及还包括锥形蜂窝体，其中，横剖面扩大的孔道从一端侧延伸到一相对设置的端侧。
在EP 0 676 534 A1中也描述了多种不同的结构形式，其中也包括了那些具有倾斜径向向外延伸的孔道的结构形式。DE 102 35 691 A1也描述了这种孔道延伸路线。
发明内容
本发明的目的是对所述类型的蜂窝体进一步改进，使得该蜂窝体能够容易地、特别是以大批量生产方式来制造和/或能够在安装时适配于不同的空间条件。该蜂窝体也能够实现如下的结构形式：该结构形式在压力损失相对较小的情况下提供了用于排气净化的相对较大的表面。
该目的通过根据权利要求1所述的蜂窝体实现。可单独地或以技术上合理的方式相互组合地使用的有利设计方案在从属权利要求中描述。说明书、特别是与附图相结合描述了本发明以及本发明的其它实施变型方案。
由层盘绕和/或层叠形成的蜂窝体具有几何中心轴线、围绕该中心轴线旋转对称布置的空腔以及外周面(外侧向面)，其中，每个层(近似)同心地围绕中心轴线延伸，其中，这些层中的至少一个至少部分地结构化(形成结构，带有结构)，从而这些层形成多个能由流体通流的孔道，该孔道从空腔以相对于中心轴线非直角的锥角向外朝向外周面延伸，其中，这些孔道还具有在所述孔道的延伸路线上从内向外变化的孔道横剖面(面积)。此外提出，至少一个结构化的层以与至少一个中间层相交替的方式布置，其中，这两个层被以螺旋形式彼此上下层叠。
在此，孔道不恰好径向从内向外延伸，也就是说不相对于中心轴线垂直地或成直角地延伸，而是相对于中心轴线成(不同的)角度。这减小了相对于恰好径向延伸的孔道的压力损失，因为流体的两次偏转会使得强度降低。在该设计中，各个层具有近似漏斗的形状，其中在此特别考虑螺旋形的结构形式，使得层不是闭合(封闭)的，而是类似于螺旋形阶梯—然而相对于中心轴线成非直角—延伸。这种根据本发明的结构形式特别与其它结构形式相结合地在充分利用了现有的结构空间和减小了压力损失的情况下提供了额外的灵活性。
为了特别也能够实现相对简单的制造，使至少一个结构化的层以和至少一个中间层交替的方式布置，其中，这两个层被以螺旋形式彼此上下层叠。中间层基本上用于维持结构化的层之间的距离，使得这些结构化的层不会由于其结构而彼此滑入。
在制造这种蜂窝体时的一个主要问题在于，各个层设计成使得该层能形成期望的螺旋形状并具有期望的结构特性。由于通常用于这种蜂窝体的金属片是被作为长的直的条带—盘绕成所谓的线圈—提供的，因此需要进行合适的变形，其中，这种变形不允许超过由材料规定的界限。
在一个优选的实施例中，所述空腔和/或周面是柱形的。仅出于制造技术的原因，这种结构形式是优选的，因为所有结构化的层都能够具有相同的形状。
此外提出，相对于中心轴线的锥角为25°至85°，优选为40°至70°，其中，对于多种应用特别合适的是近似45°的角度。
在另一个实施方式中，结构化的层形成为，使该结构化的金属片层的、形成所述孔道的结构高度(基本上)是恒定的，而孔道横剖面从内向外增大。通过恒定的结构高度，蜂窝体中的彼此依次跟随的层的延伸路线几乎是平行的，这例如不是具有从一端侧延伸到另一端侧横剖面增大的孔道的锥形蜂窝体的情况。
恒定的结构高度特别可以由此实现：所述结构化的金属片层具有一结构，该结构以和邻接的中间层共同作用的方式形成孔道，该孔道的、通过结构化的金属片层的侧面波纹件形成的边界在所有位置上都(基本上)具有相同的长度，但该孔道的孔道横剖面在结构高度近似恒定的情况下从内向外增大。这特别表明，侧面波纹件在内部具有相当强烈的曲率，即以非常窄的波纹形式延伸，而该侧面波纹件在外部区域中被以更大的程度彼此拉开或扩大，使得对应的孔道横剖面越来越大。这种波纹形状例如可以借助已知机器制造，该机器用于使得金属片层产生波纹，随后将一侧拉开或随后将另一侧压缩。
如果为整个蜂窝体使用相同类型的层，那么根据本发明产生一种形状，其中，所述空腔相对于周面轴向偏移地布置，因此蜂窝体具有第一锥形端侧和第二空心锥形端侧。该形状能够以流动技术有利地使用并特别允许与其它蜂窝体组合，以充分利用现有的自由空间。
由于螺旋形延伸的连续的平坦的金属片层的制造可能要求非常强烈的变形，因此在本发明的一个实施例中提出，所有层都被结构化，具体地包括带有粗糙结构的结构化的金属片层和带有精细结构的中间层，其中，粗糙结构和精细结构的尺寸相差至少3倍，优选相差5至10倍。通过在结构中使用不同的尺寸而实现了：通过粗糙结构基本上获得孔道的形状，而中间层的精细结构(首先仅)防止粗糙结构彼此滑入。通过这种方式因此可以使得两个螺旋形形成的不同结构化的层彼此上下层叠以形成一非常均匀的蜂窝体。
另一个实施方式提出应用具有切口的中间层，该切口从外周面出发向内沿孔道的延伸路线形成，优选从外周面向内延伸并在外部张开。通过这种方式产生了内部连续的中间层，该中间层尽管在切口向外越来越宽地打开时也能够防止被结构化的金属片层彼此滑入。
本发明的一个设计方案提供了另一种选择可能性—然而在生产时会出现材料损耗，其中，中间层配设有三角形的缺口，该缺口的尺寸设计为使得中间层在被弯曲成其螺旋形的最终形状之后重新形成近似闭合的中间层。通过这种方式可以在没有强烈变形的情况下实现中间层的期望的螺旋形状并还可靠地避免了相邻的结构化金属片层的彼此滑入。
另一种制造技术方面的变型方案在于，中间层被沿折叠线折叠，从而形成具有(至少)三倍材料厚度的重叠部，并存在中间层的(近似)螺旋形的延伸路线。在此不需要切割工具并也不会产生废料，然而由于重叠部，一部分面积不能再被用于与流过的流体接触。尽管如此，这种结构形式对于连续生产是非常有帮助的，产生的重叠部在一般使用的薄金属片中也不会形成生产技术方面的问题。
在另一个实施方式中，将一个或多个金属丝作为中间层插入，该金属丝以螺旋形式在结构化的金属片层之间延伸，优选在结构化的金属片层中预先制造的插入槽中延伸。该插入槽可以在结构化的金属片层成型时被直接共同产生，一般而言两个彼此隔开延伸的金属丝就足以可靠地避免结构化的金属片层的彼此滑入。按照结构的类型甚至一个金属丝就已经足够，而在大的蜂窝体中三个或更多个金属丝是有利的。
在此，对于结构化的金属片层、优选对于所有在蜂窝体中使用的层，考虑使用耐高温腐蚀的材料，特别包括铬和/或铝和/或镍的钢。对于高温、特别是在机动车的排气设备中，上述材料是经受了考验的。该材料还可以通过经检验的钎焊技术彼此相连，特别是通过高温真空焊接彼此相连。该连接技术特别也在层的接触位置上用于根据本发明的蜂窝体，以便使得蜂窝体稳定。
在用于分离小颗粒、特别是碳黑颗粒的蜂窝体中有利的是，所述层的至少一部分由多孔的材料制成，优选由多孔的金属材料、特别由金属纤维材料和/或烧结材料制成。这些材料改进了碳黑颗粒的分离并允许了流动引导，其中，流动的至少一部分在多孔的材料内延伸。
所述蜂窝体优选用作催化剂载体，也就是配设有用于促进排气中有害物质转化的催化活性涂层。
蜂窝体的在此所述的结构形式不要求空腔在一端部上封闭，从而所有被输送到空腔的排气通过蜂窝体倾斜地向外流动。可能的是，空腔在两侧上构造成打开的并将另一蜂窝体、特别是柱形的、能够轴向通流的蜂窝体与根据本发明的蜂窝体组合在一起地布置，特别是布置在一个共同的壳体中并具有对齐的几何中心轴线。通过这种方式可以特别良好地充分利用现有的结构空间并比传统的布置结构产生的压力损失更小。这个优点也适用于其它结构形式的具有几何中心轴线和围绕该中心轴线旋转对称布置的空腔以及外周面的蜂窝体，其中，存在多个能够由流体通流的孔道，该孔道从空腔以相对于中心轴线非直角的锥角向外朝向外周面延伸。根据附图还详细描述这些蜂窝体中的一些蜂窝体，该蜂窝体一般能够有利地与柱形的、能够轴向通流的蜂窝体组合在一起，特别在共同的壳体中并具有对齐的几何中心轴线。具有倾斜向外延伸的孔道的蜂窝体的空腔的出口在此形成一种用于具有平行于中心轴线延伸的孔道的后续的柱形的蜂窝体的入口椎体，这实现了在两个蜂窝体之间的过渡部中较小的压力损失。总体上可以由此形成两个蜂窝体的在热和流动技术方面有利的组合。
在一种优选的应用中，所述的蜂窝体或所述的蜂窝体布置结构是排气处理系统的部件、优选是内燃机的部件、特别是机动车的内燃机的部件。
附图说明
下面根据附图详细描述本发明的实施例和范围。本发明不限于这些实施例，而是可以将根据不同附图描述的特征以合理的方式相互组合。要指出的是，一部分根据附图描述的结构形式和制造方法也适用于批量生产具有精确地径向向外延伸的孔道的蜂窝体，也就是说该蜂窝体具有垂直于几何的中心轴线向外延伸的孔道。一部分附图为了说明目的示出这样的结构形式，尽管本发明涉及倾斜延伸的孔道和基本上为漏斗形的层。但所示出的附图同样包括用于制造蜂窝体中精确的径向孔道的重要方案，这属于其它发明的内容。图中示出：
图1：具有倾斜从内向外延伸的孔道的蜂窝体的示意透视图，
图2：穿过图1的几何的中心轴线的纵剖面，
图3：结构化的金属片层，
图4：用于结构化的金属片层的孔道形状的第一个实施例，
图5，6，7，8：用于结构化的金属片层的孔道形状的其它实施例的视图，
图9：螺旋形结构化的金属片层的局部，
图10：根据图9的具有中间层的金属片层，
图11：由结构化的金属片层和平坦的中间层组成的蜂窝体的部分区域，
图12：在将金属丝用作中间层的情况下蜂窝体的制造过程的示意图，
图13：在根据图12的制造过程中产生的、形成中间层的金属丝的形状的示意图，
图14：具有三角形的缺口的切开的平坦的中间层，
图15：具有切开的平坦的中间层的蜂窝体的构造的示意图，
图16：在安装之后切开的平坦的中间层的最终形状，
图17：开槽的平坦的中间层的最终形状，
图18：折叠的平坦的中间层，部分处于最终形状，和
图19：蜂窝体和柱形的蜂窝体的组合的布置结构。
具体实施方式
图1示意性示出根据本发明的蜂窝体1的示例性实施例的基本构造，该蜂窝体具有作为主要组成部分的结构化的金属片层2，该结构化的金属片层近似同心地围绕几何中心轴线4延伸并每个都具有近似漏斗的形状。在蜂窝体内有柱形的空腔5。在外侧，该结构化的金属片层2由外周面6界定。
图2示出穿过图1的几何中心轴线4的示意性纵剖面。在此能看到，从空腔5有大量孔道7倾斜向外引导，并具有相对于几何中心轴线4的方向的锥角α，其中，所有孔道都在外周面6上终止。通过这种方式形成锥形的端侧11和空心锥形的端侧10。
图3再次以示意性透视图示出单个结构化的金属片层2，该金属片层漏斗形地围绕空腔5延伸。在此也可以看到在该实施例中选择的特别的孔道形状，其在图4中更详细地示出。
图4示出由基本上平坦的金属片条形成结构时的一般的几何问题，该结构在金属片条的整个宽度上具有相同的结构高度H，然而尽管在应用了相同数量的材料作为边界时也在一端部上具有比在另一端部上更小的横剖面，由此能够形成结构化的金属片层2的期望的漏斗形状。所产生的结构化的金属片层2的孔道7具有向外增大的孔道横剖面7i、7a。
图5、6、7和8示出用于结构的另一个根据本发明的实施例，该结构在横剖面的边界长度相同的情况下具有在其延伸路线上不同的孔道横剖面。图5和6分别示出结构化的金属片层2的同一部分，然而由不同的观察方向进行显示。图7和8放大示出图5和6中显示的结构的两个端部。在此，结构化的金属片层2所具有的孔道具有较小的内孔道横剖面7i和较大的外孔道横剖面7a。这通过侧面波纹件实现，该侧面波纹件作为内侧面波纹件2i具有彼此相对紧挨延伸的波峰和波谷，而外侧面波纹件2a被彼此拉开地较远，从而波谷和波峰几乎平面地延伸。然而，结构化的金属片层2的结构高度H在孔道的两个端部上一样高。
在下面的附图中出于简明性的原因未示出漏斗形的、锥形的层，而是示出平面结构，在该平面结构上可以更容易地显示本发明的细节。然而，根据本发明，这些层除了所示出的和描述的特性之外也还是如图1-3所示的漏斗形的。然而要指出的是，在图9-18中描述的实施方式和制造方法原则上也适用于制造具有纯粹径向延伸的孔道的蜂窝体，这一点直接由附图得出。这种结构形式也能够以发明的方式部分实现所提出的目的。
图9、10和11示出如何借助平坦的中间层3能够将结构化的金属片层2盘绕或层叠形成螺旋形的结构，其中，中间层3防止了结构化的金属片层2的结构在彼此上下层叠时相互滑入。在此，图11示出这样产生的蜂窝体的一个部分区域，该蜂窝体具有空腔5和外周面6，其中可以看出结构化的金属片层2和中间层3的螺旋形布置。在附图中仅缺少额外的漏斗形的设计方案，其根据本发明应该存在，然而为清楚起见而扁平地显示。
图12示出本发明的另一个实施例，其中，中间层通过两个金属丝8构成，这两个金属丝优选地具有0.1-1mm的厚度。如示意性显示地，由平坦的、通常被盘绕成所谓的线圈的金属片带通过合适的起皱过程产生了螺旋形结构化的金属片层2，其中，在结构化时在内部区域和外部区域中可以设有插入槽9。在螺旋形层叠期间在该插入槽9中分别有一个金属丝8从示意性表明的储存辊插入，从而，只要插槽9不再比金属丝8的厚度更深，两个金属丝8就形成中间层。在这种情况下，相对于结构化的金属片层2的结构高度H必然较薄的金属丝8实现了：被上下层叠的结构化的金属片层不能彼此滑入。这种结构形式的额外优点在于，形成较大的孔道横剖面，因为孔道不受到贯通的中间层的限制。
图13再次示出在根据图12的制造过程中形成的金属丝8的形状，该金属丝自身在完成的蜂窝体中螺旋形地延伸。
图14表明另一个根据本发明的切开的平坦的中间层13，其中设有近似三角形的缺口12，因此可以容易地变形成螺旋形的中间层。这一点在图15中表明，其中，被切开的平坦的中间层13部分地已经形成其最终形状。可以看出，三角形的缺口12的尺寸特别设计成使得在完成的状态下形成实际上闭合的中间层13，该中间层则完全防止结构化的金属片层2的结构的彼此滑入。然而在这种制造方法中产生三角形的缺口12的形式的废料。然而对此形成了—这在图16中再次表明—实际上封闭的螺旋形的切开的平坦的中间层13，其各个区段在外部结合并在内部留出空腔5的空间。
图17示出一个替代性实施方式，其中示出开槽的平坦的中间层23。在此，切口22从围绕空腔5的结合区域向外延伸，从而不会产生废料，然而存在三角形的、从内向外打开的切口。尽管如此，这种开槽的平坦的中间层23也可最大程度上防止与结构相邻的结构化的金属片层的彼此滑入。
图18中示出折叠的平坦的中间层33的另一形式。由于在蜂窝体中一般使用具有厚度20μm至120μm的金属片层，因此如果金属片层在各个区域中重叠时，其对于最终形状不产生大影响。这在根据图18的实施方式中被利用，其中沿折叠线32折叠中间层33，由此在重叠区域中近似产生三角形的形状。通过这种方式可以根据折叠线32的数量非常良好地由螺旋形状或螺旋以及漏斗形状的平坦的金属片条形成中间层。
因此可以通过螺旋形地层叠结构化的金属片层2和中间层3来由金属片条批量生产根据本发明的蜂窝体。
图19示出如何能将根据本发明的蜂窝体1和传统的柱形蜂窝体16布置在共同的壳体20中。待净化的流体、特别是内燃机的排气可以从入口14流入根据本发明的锥形的蜂窝体1的空腔5中，其中，一部分流体经过孔道7到达外周面6。这部分流体在收集室17中被收集，在外部围绕柱形的蜂窝体16被引导并随后到达混合室18中并流向出口19。另一部分流体从空腔5流入柱形的蜂窝体16中，该蜂窝体包括未详细示出的轴向孔道，从而这部分流体也到达混合室18中并流向出口19。特别有利的是，锥形的蜂窝体1和柱形的蜂窝体16沿共同的几何中心轴线4对中心地布置。该实施方式是将锥形蜂窝体用于有利地充分利用现有的结构空间和在提供用于催化转化或分离颗粒的预定表面时用于减少压力损失的例子。
本发明总体上能够实现灵活地并以适配于不同安装情况的方式将单个锥形蜂窝体或与其它蜂窝体相结合地用于处理流体、特别是用于净化内燃机中、特别是机动车中的排气。
附图标记列表：
1 锥形蜂窝体
2 结构化的金属片层
2i 内侧面波纹件
2a 外侧面波纹件
3 中间层
4 几何中心轴线
5 空腔
6 外周面
7 孔道
7i 内孔道横剖面
7a 外孔道横剖面
8 金属丝
9 插入槽
10 空心锥形的端侧
11 锥形的端侧
12 三角形的缺口
13 被切开的平坦的中间层
14 入口
16 柱形的蜂窝体
17 收集室
18 混合室
19 出口
20 壳体
22 切口
23 开槽的平坦的中间层
31 重叠部
32 折叠线
33 折叠的平坦的金属片
H 结构高度
α 锥角。

Claims (14)

1.一种蜂窝体(1)，该蜂窝体由层(2、3)盘绕或层叠形成，并且具有几何中心轴线(4)、围绕该中心轴线(4)旋转对称布置的空腔(5)以及外周面(6)，其中，每个层(2、3)同心地围绕中心轴线(4)延伸，其中，这些层(2)中的至少一个是至少部分地结构化的，从而这些层(2、3)形成多个能由流体通流的孔道(7)，该孔道从空腔(5)以相对于中心轴线(4)成非直角的锥角(α)向外朝向外周面(6)延伸，其中，孔道(7)还具有在所述孔道的延伸路线上从内向外改变的孔道横剖面(7i、7a)，至少一个结构化的层(2)和至少一个中间层(3；8；13；23；33)交替地布置，其中，这两种层以螺旋形式彼此上下层叠，以便类似于螺旋形阶梯但相对于中心轴线成非直角地延伸。
2.根据权利要求1所述的蜂窝体(1)，其特征在于，至少所述空腔(5)或外周面(6)是柱形的。
3.根据权利要求1或2所述的蜂窝体(1)，其特征在于，相对于中心轴线(4)的所述锥角(α)为25°至85°。
4.根据权利要求1或2所述的蜂窝体(1)，其特征在于，结构化的该层(2)的、形成所述孔道(7)的结构高度(H)是恒定的，而孔道横剖面(7i、7a)从内向外增大。
5.根据权利要求1或2所述的蜂窝体(1)，其特征在于，结构化的该层(2)具有这样的结构，该结构以与邻接的中间层(3)共同作用的方式形成孔道(7)，该孔道的由结构化的该层(2)的侧面波纹件(2i、2a)形成的边界在所有位置上都具有相同的长度，但该孔道的孔道横剖面(7i、7a)在结构高度(H)近似恒定的情况下从内向外增大。
6.根据权利要求1或2所述的蜂窝体(1)，其特征在于，所述空腔(5)相对于外周面(6)轴向偏移地布置，以使蜂窝体具有第一锥形端侧(11)和第二空心锥形端侧(10)。
7.根据权利要求1或2所述的蜂窝体(1)，其特征在于，所有层(2、3)都是结构化的。
8.根据权利要求7所述的蜂窝体(1)，其特征在于，这些层以带有粗糙结构的结构化的金属片层(2)和带有精细结构的中间层(3)交替的方式结构化，其中，该粗糙结构和该精细结构的尺寸相差至少3倍。
9.根据权利要求1或2所述的蜂窝体(1)，其特征在于，中间层(23)配设有切口(22)，该切口从外周面(6)出发向内沿孔道(7)的延伸路线形成。
10.根据权利要求1或2所述的蜂窝体(1)，其特征在于，中间层(13)配设有三角形的缺口(12)，该缺口的尺寸设计成使得中间层在被弯曲成其螺旋形的最终形状之后重新形成闭合的中间层。
11.根据权利要求1或2所述的蜂窝体(1)，其特征在于，中间层(33)被沿折叠线(32)折叠，从而形成具有三倍材料厚度的重叠部(31)，并实现中间层(33)的螺旋形的延伸路线。
12.根据权利要求1或2所述的蜂窝体(1)，其特征在于，中间层由至少一个金属丝(8)形成，该至少一个金属丝以螺旋形式在结构化的层(2)之间延伸。
13.根据权利要求1或2所述的蜂窝体(1)，其特征在于，该蜂窝体以和柱形的、能够轴向通流的蜂窝体(16)组合在一起的方式布置。
14.根据权利要求13所述的蜂窝体(1)，其特征在于，该蜂窝体与所述柱形的、能够轴向通流的蜂窝体(16)布置在共同的壳体(20)中并具有对齐的几何中心轴线。
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