CN1047650C - 圆锥形蜂巢体 - Google Patents

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Abstract

一种蜂巢体，包括一轴心；一相对轴心成圆锥形的管套；和一装在管套内的构型，构型包括至少一以渐开线形式绕轴心的叠层，叠层有多层叠在一起的金属板层，板层包括多个波纹板层，每一板层为圆环状扇形体形状，由相对中心点为圆形的外弧和与外弧同圆心并位于外弧和中心点间的圆形内弧限定，每个波纹板层都有相对中心点为径向的波纹，波纹有相关连的波纹高度，每条弧上相应波纹高度间的比例为给定值，两条弧长度之比约等于该值。

Description

圆锥形蜂巢体
本发明涉及一种圆锥形蜂巢体，它具有一个轴心和一个管套，管套内装有一个包括至少一个以渐开线形式围绕轴心的叠层的构型，该叠层具有多块相互叠置的金属板，而多块板中还包括多块结构板。
本发明特别涉及用作催化剂载体的蜂巢体以便在一种流体流经蜂巢体时进行一种催化反应。这种应用特别适用于内燃机的排气系统，这种内燃机，例如，驱动一辆机动车，其中的流体就是内燃机排出的废气，在废气中借助于催化剂进行反应以便将污染性物质转化为无害物质。
欧洲专利公开说明书EP0245736B1中叙述了一种适于作催化剂载体用的金属蜂巢体，它具有以渐开线方式延伸并由平滑的和带波纹的板组成的叠层。另一种改进设计登载在对应于美国专利第4923109号和第4832998号的欧洲专利公开说明书EP0245737B1上。其内容描述的是通过将一个叠层的两端包封起来的方式形成蜂巢体，叠层是用多块平板和波纹板绕着一个轴心以S形相互交叠而成，这样就形成了两个相互缠绕的大致为渐开的结构。另一种带有以渐开方式对齐的叠层的蜂巢体装置登载在对应于美国专利第5135794号的PCT专利申请公开说明书WO90/03220上。在该说明书中，金属板的叠层(其中的一些是带有结构的而所有的叠层都是在一条弯折线上折拢的)绕着一根与弯折线平行对齐的轴心相互缠绕。在这三篇参考文献中描述的蜂巢体都特别适合于作为机动车辆排气系统中的催化剂载体用至于其详情可参考该文献。
为了使机动车辆排气系统中蜂巢体上的催化剂得到充分的效率，仅仅使蜂巢体的横截面与废气从内燃机流至蜂巢体或从蜂巢体流开的排气管的横截面相等往往是不够的。因此，为了相互调节废气管和蜂巢体的横截面，在机动车的排气系统的蜂巢体的前面需设置扩散器而在其后面设置混淆器。其详情可参考相当于美国专利第5150573号的欧洲专利申请公开说明书EP0386013B1；该参考文献也对载有催化剂的蜂巢体的稳定入流问题提供了详细说明。为了改进入流，一个其形状能配合扩散器或混淆器的形状，即圆锥形的流动导体可以插入蜂巢体前的扩散器和/或其后的混淆器。这种流动导体可以就是蜂巢体本身，也可以，例如，由波纹和切缝金属板的螺旋绕组制成。形成圆锥形蜂巢体的其它可能性还有一种由多个同类的圆锥形管状元件形成的组合件。主要充作流动导体的圆锥形蜂巢体本身也可以另外涂上一层具有催化效力的涂层，以便在具有一种催化剂的圆锥形蜂巢体之外，充作为“预催化剂”，但蜂巢体上的催化剂仍被认为担任催化转换的主要任务。由于流动导体含有的质量较圆锥形蜂巢体所含的要小得多，因此在起动时它热得比较快，而在它上面的催化剂也就能在一个特别短暂的时间发挥效力。
根据德国专利DE2313040C3(相当于美国专利第3907708号)，一个略呈圆锥形的蜂巢体可以通过压制一个圆筒形的结构而制成，它形成一层平扁和波纹状的金属板。
相当于美国专利第5157010号的PCT专利申请公开说明书WO90/08249；欧洲专利申请公开说明书EP0298943 A2；相当于共同待决的美国专利申请序号711564(1991年5月30日申请)和序号900836(1992年6月18日申请)的PCT专利申请公开说明书WO91/01178；大致相当于美国专利第5045403号和第5130208号的PCT专利申请公开说明书WO91/01807；以及欧洲专利申请公开说明书EP0136515B1都涉及到准备由其制成蜂巢体的金属板上微结构的形成。这种微结构的例子有凹槽、圆珠、隆起物，沟纹或者从金属板上突起的表面小块。它们一般都显著地较波纹为小，这种波纹业内人士都知道是在用于制造蜂巢体的“波纹”板上形成的。微结构起到各种各样的目的。如果蜂巢体被制成其中的微结构能相互咬合，则它们有助于改进蜂巢体的强度。除了这个作用外，微结构也可能起到影响流体流经蜂巢体的流动特性的作用。
德国专利申请公开说明书DE3903879A1公开一种金属蜂巢体，这种蜂巢体安置在一个激光器的闭合气路循环中，准备在操作激光器所需要的气体中进行某些催化反应，并且是能够电加热的。
可电加热的蜂巢体也可以用于机动车辆排气系统中。例如，从PCT专利申请公开说明书WO90/12951中可以获悉到制成一个可电加热蜂巢体的金属板上的微结构的另一种功能。微结构起到了为两块金属板提供形态锁定连接的作用，一块电绝缘的陶瓷或其它类似材料的中间层插入其间。形态锁定连接是根据两块元件本身的形状而将它们连接在一起，它有别于压力锁定连接，其是凭外力将两个元件锁定的。
德国专利申请公开说明书DE3719773A1公开了一种用于净化废气的催化反应器的锥形载体，它还配置有锥形的外壳。但它未能克服前述的缺点。
因此，本发明的目的就是提供一种圆锥形的蜂巢体，它克服了迄今为止所知的这种通常类型装置的前述缺点，它结构简单容易制造，它可以插入例如一个与一个通常的轴向直型蜂巢体相连系的扩散器或混淆器，而且当涂上一层催化剂后可以用作为一个通常的带有催化剂涂层的蜂巢体的预催化剂。
考虑到上述的和其它目的，本发明提供了一种蜂巢体，它包括一个轴心，一个相对于轴心成圆锥形的管套；和一个安装在管套内的构型，构型包括至少一个以渐开线形式绕着轴心的叠层，该叠层具有多个一层叠在一层之上的金属板层，板层包括多个或半数以上的波纹板层，其中的每一个板层具有一个圆环状扇形体的形状，由一个相对于一个中心点大致为圆形的外弧和一个与外弧同圆心并位于外弧和中心点之间的大致为圆形的内弧所限定，每一个波纹板层都具有相对于中心点大致为径向的波纹，波纹具有相关连的波纹高度，在每条弧上相应的波纹高度之间的比例具有一定的给定值，而两条弧的长度之间的比例大致等于该给定值。
在其它的特征中，本发明的蜂巢体还有，它是由至少一个金属板有切缝的金属板的螺旋绕组。一个圆锥体的这种螺旋绕组是很难形成的，因为绕在一个圆锥体内的板不可能再是直的而必须是弯曲的，而且有时还需相互交搭几次。因此，由于复杂的生产技术，圆锥形蜂巢体始终未能得到工业界的重视。由于本发明的蜂巢体是由多块板分层相叠的叠层制成的，生产上的问题就大大地简化了。形成叠层所用的板比较短，可以从大的金属板块切出或冲出，生产费用低廉而产生出的废料极少。本发明的蜂巢体也可以用这种方式制成，即每块板在其一端邻接着管套，并且例如用钎焊法固定在管套上。这对于一个圆锥形的蜂巢体是尤其重要的，因为留在绕制的金属板叠层中的形变张力一定程度上趋向于将金属板叠层压出圆锥形的管套。但是，这种趋向可以用一种简单和合适的方式予以抵消，即将每块板单独地连接在管套上。
为了形成这样一种圆锥形蜂巢体，其端面垂直于轴心且这些端面还基本上是平的，每块板的形状必须稍许偏离圆环状扇形体的标准形状。由于在蜂巢体轴心附近的板的倾斜度要小于在管套附近的板的倾斜度，因此，位于轴心附近的板的部位必须具有比位于管套附近的板的部位略小的宽度。如果所用的板的形状基本上相同于圆环状扇形体的标准形状，则将造成一个其端面稍许向外隆起的蜂巢体。不言而喻，本发明同样包括端面基本上为平的蜂巢体和端面稍许隆起的蜂巢体。
根据本发明所用的波纹板上波纹不可能具有一个在整块板面上都是恒定不变的波纹高度。而是，从限定该板的较小的弧处以较低的波纹高度开始逐渐增高至限定该板的较大的弧处的较高的波纹高度为止。波高之间的比例必须大致相当于弧长之间的比例，因而当该板缠绕起来时就能产生一个大致呈圆锥形的蜂巢体。
根据本发明另一个特征，波纹的高度是变化的或者是平稳地汇合的，最好是直线地从较小的弧至较大的弧平稳地汇合。这种类型的波纹特别适合于形成一个圆锥形蜂巢体。除波纹之外在板上再加上切缝，如在相当于美国专利第5150573号的欧洲专利申请公开说明书EP0386013B1中所做的那样也并不是绝对必须的。为了形成如上所述的带结构的波纹，一块原先是平的板，也可以做成如一个圆环的形状，可以在两个圆锥形的制波纹轧辊之间轧成波纹。
根据本发明又一个特征，在外弧上的每个波纹与相应的内弧上的单一的波纹汇合。在该实施例的意义范围内有可能通过将一块相应于给定的圆环扇形体较长的平滑板加上波纹的方式制成一块相应于同一圆环扇形体的波纹板。在内弧和外弧上的波纹高度于是基本上是直线地相互汇合。其结果是在生产上具有很大的优点，因为所需要的板只是那些其形状属于一个单一圆环的扇形体的板。
根据本发明再一个特征，在每块波纹板的外弧上的每一个波纹与纳弧上的多个波纹相汇合。这最好以这样的方式产生，即在外弧上的一个单一的波纹分裂成在内弧上的多个波纹，特别是两个至三个波纹。给定一个所要形成的圆锥形形状的合适选择以及在外弧上的单一波纹相汇合的内弧上的波纹数目，就可以用一块平直的板在两个合适结构的圆锥形制波纹轧辊之间轧制出波纹而成为上述方式的波纹板。这样做的优点主要是形成蜂巢体的平板和波纹板都可以以一个单独的操作步骤来制成。平板可以从大张的金属平板中切出或冲出，而波纹板则可以将一长条的平直金属板加以相应的波纹而制成，众所周知这种长条平直金属板可以制成几乎是任意的长度。
根据本发明又一个特征，该特征可以任意选择地导致其它实施例，在形成蜂巢体的平板和波纹板中可以设置相互咬合的微结构。
根据本发明另一个特征，所谓的微结构是与轴心成一个角度(最好是直角)相对齐的凹槽，在其中凹槽与相邻板上的隆起物和/或其它的微结构相咬合。该微结构甚至在钎焊过程之前赋与蜂巢体以某种程度的尺寸上的稳定性，该钎焊过程一般说来是用于板的相互间的连接和/或连接在管套上，它减少了板的缠绕构型从圆锥形管套中脱出的可能性。在钎焊或类似的过程中，微结构也可以被用作钎焊物料的支承点，从而促成在蜂巢体内生成特别耐耗的钎焊点。此外，微结构对于通过蜂巢体流动的流体流和在为一个电加热器制造的蜂巢体中具有良好的效应，它们可以在板和陶瓷绝缘层或类似物之间提供形态锁定连接。
根据本发明又一个特征，构型具有大致垂直于轴心的第一和第二端面，第一端面较第二端面为大，而管套一直延伸至第一端面并具有至少一个坐落在第一端面上的拦挡结构。本发明圆锥形蜂巢体的机械强度由于在管套上设置了拦挡结构可以进一步得到改进，而不会妨碍其它的设施。这种拦挡结构可以将缠绕的板构型保持在圆锥形管套内并防止它们脱出，特别是在板和管套之间没有如钎焊点的形态锁定连接。
根据本发明再一个特征，拦挡结构是一个设置在管套上，最好能完全包围管套的唇缘。这种唇缘可以通过，例如，将管套卷边而形成，或者，它也可以是一个焊接在其上的单独的构件。
根据本发明又一个特征，拦挡结构是一个固定在端面上的狭条，它由物料粘接，特别是焊接连接在管套上。这一狭条最好能集中在端面上从而使它接触端面的中心点。
本发明的蜂巢体，不论是何种结构，都特别适用作为催化剂的载体，以便在从中流过的流体中进行一种催化反应。为此目的，它可以特别用在机动车辆的排气系统中，使内燃机的排出气从中流过，并可以在该排出气体中产生催化反应以便消除污染物。本发明蜂巢体特别适合用于现有类型的蜂巢体内作为“预催化剂”。它于是被安置在紧接在通常的蜂巢体上游的排气系统的扩散器中。
本发明的圆锥形蜂巢体克服了现有技术的缺点，其结构简单且易于制造，当装入一个与常规的轴向直蜂巢体相联系的扩散器时，它特别适用于作为一个“预催化制”。
虽然在本说明书中描述和图中显示的本发明被体现在一个圆锥形蜂巢体上，但并不意味着本发明只限于这里所叙述的细节，因为各种各样的改良型式和结构变化都可以从中做出而不偏离本发明的精神和落在本发明权利要求书的范围之内。
然而本发明的结构型式和操作方法连同其它的目的和优点通过以下对具体实施例结合附图所作的描述将更为明了。
图1是本发明圆锥形蜂巢体的端部透视示意图；
图2是形成蜂巢体的平滑板的立面图；
图3,4和5是显示本发明中所用的波纹板的一部分的断片透视图；
图6是显示带有相互咬合的微结构的板的断片透视图；
图7是带有一另加的拦挡结构的圆锥形蜂巢体的端部透视图；和
图8是带有一另加的拦挡结构的本发明另一种蜂巢体的纵向断面图。
现在详细参看附图，其中执行相同功能的部件各标以相向的标号。为了强调发明的某些具体特征，图中有些部分是示意的和/或略加夸大的。首先特别参看图1，其中显示本发明的一个蜂巢体。这个蜂巢体相对于一个轴心1是圆锥形的，它具有一个以S形状缠绕并装在圆锥形的管套2内的叠层3。叠层3包括平滑的金属板4和带波纹的金属板5。图中显示的板层或金属板层4,5的数目并不代表特别优选的实施例。为了要制造出一种其叠层3以S形状缠绕的蜂巢体，和总的来说，为了要制造出至少具有一个以渐开线形式缠绕的叠层3的蜂巢体，前文中详细讨论的现有技术可以明确地作参考。
图2示出一张平铺开的平滑板4，用其可以制成本发明的蜂巢体。板4具有一个圆环状扇形体的形状，由一条长度为S1的外弧7和一条长度为S2并与外弧7相对于中心点6同圆心的内弧8所限定。图中所示的板4因此相当于该圆锥体面展开为一个平面的视图。将该板4连同其它的板缠绕在一起就能相应地制出一个圆锥形蜂巢体。
图3、4和5示出用以形成本发明蜂巢体的波纹板5的各个部分。图5中的板具有波纹9而在内弧8上的各个波纹9汇合成外弧7上的单独的波纹9。这种类型的板5的优点是它可以用一块平滑的板夹在合适的圆锥形制波纹轧辊之间轧出波纹的方式或者用深冲压法制成。平滑板与波纹板5都是同一圆环的扇形体。图3示出外弧7和内弧8各自的相应长度S1和S2以及在外弧7和内弧8上的波纹高度h1和h2。如已说过的，在外弧7上的波纹高度h1必须大于在内弧8上的波纹高度h2，相当于外弧7长度S1与内弧8长度S2之间的比例。
图4与图5示出波纹板5的变异体。在图4中，外弧7上的一个波纹9转化成内弧8上的两个波纹9。在图5中，从外弧7上的一个单独的波纹9在内弧8上产生出三个波纹9。具有这种结构形式的波纹板5，在给以准备形成的蜂巢体大小比例的合适选择时，可以在某些情况下，在具有合适结构形式的圆锥形制波纹轧辊之间用平直光滑的板轧成波纹而制成。因此，市面上绕在大型卷筒上的那种平直板就可以用来制造这种波纹板5。
图6示出用以将一块平板4固定在一块波纹板5上的微结构10,11的配合。平板4上具有凹槽10，该凹槽与波纹板5的波纹9大致垂直地对齐。波纹板5上设有隆起物11，该隆起物与平板4的凹槽10相咬合从而将两块板4,5某种程度上相互固定在一起。如果不用隆起物11，则可以在波纹板5和平板4上都设置凹槽10。像这样的实例可以在前述的现有技术中找到。
图7示出本发明的圆锥形蜂巢体可以用一个另加的拦挡结构来加以稳固的方式。包围在管套2内的圆锥形蜂巢体具有基本上是平板状的第一和第二端面12和13。第一端面12大于第二端面13，两个端面12,13大致都垂直于圆锥形管套2。为了使缠绕的叠层(为清晰起见图7中未显示)保持在管套2内，可以设置一个狭条，卡箍或支柱15横过第一端面12，并将其连接在管套2的两个相对点处，具体地说是用焊接的方法。狭条15这样就可以防止叠层从管套2中突然脱出。
图8示出设在圆锥形蜂巢体上的另加的拦挡结构的又一种示范性实施例。这个图是一个平行于轴心1的纵向断面图。叠层3的构型在轴心1的方向被约束在大的第一端面12和小的第二端面13之间。叠层3位于管套2之内。为了将叠层3固定就位，管套2上设置有一圈围在轴心1四周并托住第一端面12的唇缘14。该唇缘14可以是管套2的一个简单的卷边，或者是一个焊接在管套2上的另加的组成部分。由于准备装入管套2内的构型在其中进行形态锁定连接之前具有某种程度的弹性，它可以以稍为压缩的形状滑过唇缘14进入管套2内，然后，当它一旦全部进入后，它就从后面为唇缘14所抵住，从而唇缘防止其从管套2中脱出。在第二端面13处，管套2终止于一个轴向凸缘16，在该凸缘上如果需要可以用例如焊接法再接上另一个管套。
本发明的圆锥形蜂巢体结构简单而且易于制造，当装入一个与常规的轴向直蜂巢体相联系的扩散器时，它特别适用作为一个“预催化剂”。一种催化剂材料就承载在该构型上，以便当一种流体流经该蜂巢体时进行催化反应。

Claims (19)

1．一种蜂巢体，它包括一个轴心；一个相对于所述轴心成圆锥形的管套；和一个安装在所述管套内的构型，所述构型包括至少一个以渐开线形式绕着所述轴心的叠层，所述叠层具有多个一层叠在一层之上的金属板层，所述板层包括多个波纹板层，
其特征在于，其中的每个所述板层具有一个圆环状扇形体的形状，由一个相对于一个中心点大致为圆形的外弧和一个与所述外弧同圆心并位于所述外弧和中心点之间的大致为圆形的内弧所限定，每一个所述波纹板层都具有相对于中心点大致为径向的波纹，所述波纹具有相关连的波纹高度，在每条所述弧上的所述相应的波纹高度之间的比例具有一定的给定值，而所述两条弧的长度之间的比例大致等于该给定值。
2．如权利要求1的蜂巢体，其特征在于：所述波纹的所述波纹高度在每个所述的波纹板层中平稳地相互汇合。
3．如权利要求1的蜂巢体，其特征在于：所述波纹的所述波纹高度在每个所述的波纹板层中直线地相互汇合。
4．如权利要求1的蜂巢体，其特征在于：在所述外弧上的每个所述波纹与所述内弧上的所述波纹中的单独的一个相汇合。
5．如权利要求1的蜂巢体，其特征在于：在所述外弧上的每个所述波纹与所述内弧上的多个所述波纹相汇合。
6．如权利要求1的蜂巢体，其特征在于：所述板层具有相互咬合的微结构。
7．如权利要求6的蜂巢体，其特征在于：至少一些所述微结构包括凹槽，该些凹槽相对于所述轴心成一个角度对齐，并且相互咬合。
8．如权利要求6的蜂巢体，其特征在于：至少一些所述微结构包括凹槽，该些凹槽相对于所述轴心成一个角度对齐，至少一些所述微结构包括隆起物，而所述凹槽互相咬合并与所述隆起物咬合。
9．如权利要求6的蜂巢体，其特征在于：至少一些所述微结构包括凹槽，该些凹槽相对于所述轴心成一个角度对齐，至少一些所述微结构包括隆起物，而所述凹槽与所述隆起物相咬合。
10．如权利要求7的蜂巢体，其特征在于：凹槽相对于所述轴心大致成垂直对齐。
11．如权利要求8的蜂巢体，其特征在于：凹槽相对于所述轴心大致成垂直对齐。
12．如权利要求9的蜂巢体，其特征在于：凹槽相对于所述轴心大致成垂直对齐。
13．如权利要求1的蜂巢体，其特征在于：所述构型具有大致垂直于所述轴心的第一和第二端面，所述第一端面较所述第二端面为大，而所述管套一直延伸至所述第一端面并且具有至少一个拦挡结构坐落在所述第一端面上。
14．如权利要求13的蜂巢体，其特征在于：所述至少一个拦挡结构是一个在所述管套上的唇缘。
15．如权利要求14的蜂巢体，其特征在于：所述唇缘绕所述管套绕一圈延伸。
16．如权利要求13的蜂巢体，其特征在于：所述拦挡结构是一个用物料粘接连接在所述管套上的狭条。
17．如权利要求13的蜂巢体，其特征在于：所述拦挡结构是一个焊接在所述管套上的狭条。
18．如权利要求13的蜂巢体，其特征在于：所述拦挡结构是一个用物料粘接连接在所述管套上的狭条，狭条集中在所述第一端面的中心。
19．如权利要求1的蜂巢体，它包括一种装载在所述构型上的催化剂，用以在流经蜂巢体的流体内产生催化反应。
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