CN1232381C - 催化转化器的组装方法 - Google Patents

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Abstract

一种组装催化转化器的方法，它包括如下步骤：(1)提供一个具有预定形状的金属壳，该金属壳的形状基本与陶瓷基材的形状相配；(2)向金属壳内塞入足量的弹性支撑衬垫材料，形成环绕的衬垫层；(3)将环绕的衬垫层压紧至初始的间隙体积密度，该初始的间隙体积密度比最终的间隙体积密度大；(4)放松衬垫层上的压力，并在衬垫层到达其最终的间隙体积密度之前，将至少一部分基材塞入有环绕衬垫层的金属壳内，接着使衬垫层再放松，直至衬垫层以预定的最终间隙体积密度紧压在陶瓷基材上。

Description

催化转化器的组装方法
本申请要求Eisenstock等人于7/11/00提交的名称为“用于内燃机的催化转化器的组装方法”的美国临时申请№60/217280的权益。
发明领域
本发明涉及一种制备用于纯化废气的催化转化器的方法，更具体地说，涉及一种制备这样的催化转化器的方法，它包括预形成金属壳和将支撑性的衬垫材料压紧到紧靠金属壳。
技术背景
众所周知，纯化尤其机动车内的内燃机的废气通常由废气纯化系统来实现，所述系统内具有蜂窝结构的陶瓷元件用作催化剂载体。更简洁地说，该蜂窝结构被含有贵金属的催化剂覆盖，所述贵金属在氧气存在下用来将废气例如HC和CO的有害成分转化成H2O和CO2。该蜂窝结构装在不透气的耐热金属片或铸造金属壳内或密封外壳内/壳内。
目前使用的蜂窝结构一般包括陶瓷材料例如堇青石，表现出有限的力学强度的脆性材料。出于该原因，目前使用的催化转化器一般包括弹性支撑衬垫材料，它围绕在蜂窝的周围。该弹性材料将任何压力均匀分布在陶瓷上，它一般随温度升高而膨胀。即这样的情形，对蜂窝产生的压紧支撑力因此在高温下会增大，一定程度补偿了外周金属壳的热膨胀。由于金属壳比封装的陶瓷蜂窝膨胀得多，该衬垫的随温度升高的膨胀就阻止了蜂窝在壳内变松。
本行业内已知有多种技术将衬垫和整块陶瓷组装入密封外壳内，制成上述催化转化器。现有技术通常分为两类：(1)在组装过程中保持整块陶瓷与金属壳之间预先形成的间隙的方法(例如填充安装或者Clam Shell技术)；(2)在组装过程中保持整块陶瓷与金属壳之间预定压力的方法(例如鞋-箱和Tourniquet技术)。
填充安装技术包括起始将基材包入弹性衬垫内，然后将包好的基材塞入锥形器件内，当它推入时会压迫衬垫。接着被包住的基材从加压的圆锥顶入用作转化器容器或壳的圆筒管(见例如美国专利№4093423(Neumann))。
Clam Shell封装技术包括采用两个等分的金属壳，它们围绕包有衬垫的蜂窝闭合起来，然后焊接起来(见例如美国专利№5273724(Bos))。
通常称为“Tourniquet包围”的制造方法包括将长方形的平整金属片形成具有搭接点的圆筒体。将衬垫包围的蜂窝松散地塞入圆筒型金属壳，将组合的组装件聚拢成所要求的衬垫压紧。然后，将搭接点焊接起来，由此以所要求的压紧力固定外壳，同时阻止气体漏出，见例如美国专利№5082479(Miller)。
已知的是，通过压紧闭合金属壳并支撑蜂窝基材周围的衬垫，施加在给定的蜂窝基材的压紧力，如上述任何现有技术所述，极大地受到蜂窝外部直径、厚度和支撑衬垫材料的柔顺性和金属壳尺寸的影响。这些尺寸中的每个都具有制造公差，必须小心地控制所述公差以保证足够而不过量的径向压力施加到蜂窝基材上。上述现有技术所述的组装催化转化器的方法都包括使陶瓷基材在组装过程中经受不均匀和间接的压力，这是对金属壳施加压力或对上述锥形器件施加压力的结果。在金属壳上压紧会使基材在所施加的压碎力作用下遭到损坏，对于具有极其薄孔壁和外围皮层的先进基材，损坏的危险性更大。
这些现有技术的其他缺陷包括所形成的间隙波动、由于高闭合速率产生的瞬时压力峰值、不均匀的压力分布，对于非圆形的整块，尤其是这样。由于衬垫在室温是粘弹性材料，压紧力依赖于速率，例如它压紧得越快，压力就越高，由此所形成的整块陶瓷要承受的不好的压力峰值就越大。而且当制造和采用的基材具有较薄的孔壁时，该缺陷就变得更成问题。
这样，就需求提供一种更简单、劳力密集度更小、更有效的催化转化器组装方法，它尤其以这样的方式，即：在任何时刻施加在陶瓷基材上的最大压紧力确实会损坏基材，这样既可获得均匀的衬垫密度，又可获得施加在陶瓷基材上的均匀压紧力，本发明的目的就是提供这样的方法。本发明的目的尤其是揭示这样一种方法，它避免使整块陶瓷承受会在脆性的整块陶瓷内产生高应力的不好的压力峰值。
发明的概述
因此，本发明的目的是揭示一种组装方法，它克服了目前组装催化转化器的压紧闭合方法的缺点和问题。也就是说，本发明揭示一种组装催化转化器的方法，它可获得这样的蜂窝结构上的压紧力负荷，该负荷足以保持但不会损坏要保留的蜂窝基材，也没有现有技术的组装方法会经受的压力峰。
作为这样的技术特征的结果，即支撑性衬垫的起始压紧是衬垫被压到金属壳的结果，即“衬垫紧靠壳”的内压紧，根据本发明，就可以达到上述目的和经过下述讨论变得明显的其他目的。这与现有技术方法中的压紧相反，现有技术的方法包括起始压紧是支撑衬垫的外部，并导致金属壳将支撑性衬垫压紧在陶瓷基材上，即“金属壳和/或衬垫紧靠基材”。也就是说，本发明的组装方法包括提供有环绕的衬垫层的金属壳，并将衬垫层压紧到金属壳上，随后放松对支撑性衬垫的压紧，由此使陶瓷基材经受小得多的支撑性衬垫的强放松压紧。
总的来说，组装这些催化转化器的方法包括下述步骤：(1)提供一个端部敞开的单件金属壳；(2)将一层弹性衬垫材料设置在金属壳的内表面，形成环绕的衬垫层；(3)将环绕的衬垫层压紧；(4)将陶瓷基材塞入金属壳内，同时使环绕的衬垫层保留在金属壳的内表面上。
在一个更详细的实施方式中，组装这些催化转化器的方法包括如下基本步骤：(1)提供一个具有预定形状的金属壳，该金属壳的形状基本与陶瓷基材的形状相配；(2)向金属壳内塞入足量的弹性支撑衬垫材料，形成环绕的衬垫层；(3)将环绕的衬垫层压紧至初始的间隙体积密度，该初始的间隙体积密度与预定的最终的间隙体积密度相等或比后者大；(4)放松衬垫层上的压紧，并在衬垫层到达其最终的间隙体积密度之前，将至少一部分基材塞入有环绕衬垫层的金属壳内，接着使衬垫层再放松，直至衬垫层以预定的最终间隙体积密度紧压在陶瓷基材上。
附图的简要说明
图1A是根据本发明方法制成的具有蜂窝结构的催化转化器的纵向剖面示意图；
图1B是图1所示转化器沿剖面线A-A的剖面图；
图2A-2B是本发明组装催化转化器的方法的第一个实施方式的成形阶段的剖面示图；
图3是本发明组装催化转化器的方法的第一个实施方式的一个变型的剖面示图；
图4A-4D是本发明组装催化转化器的方法的第二个实施方式的成形阶段的剖面示图；
图5A-5C是本发明组装催化转化器的方法的第三个实施方式的成形阶段的剖面示图；
图6A-6D是本发明组装催化转化器的方法的第四个实施方式的成形阶段的剖面示图；
图7是在沿图6A所示A-A线的第四实施方式中采用的压紧器件的锥形部分的俯视图；
图8是采用柔性支撑环的本发明组装催化转化器的方法的一个实施方式的侧面剖面图；
图9A-9B是图6中标“A”的部分的分解剖面图；
图10A-10B是组装催化转化器的第四实施方式的本发明改进方式的剖面示图；
图11是沿图8所示B-B线的改进冲杆的俯视图；
图12-14是说明分别由本发明方法、填充安装技术、Tourniquet包围技术组装的陶瓷蜂窝基材的径向面积上的压力分布的压力分布图。
发明的详细说明
本发明涉及一种组装催化转化器的方法，更具体地涉及一种这样的组装催化转化器的方法，它可获得足以保持蜂窝结构上的压紧力负荷，但该负荷不会损坏要保留的蜂窝基材，仅使陶瓷基材经受衬垫放松的压紧力，该压紧力远不如基材在现有的组装催化转化器方法中要经受的压紧力那么强。也就是说，本发明方法可使蜂窝基材避免经受在形成催化转化器的标准压紧方法中一般具有的压力高压峰值。
图1A和1B图示了一般的催化转化器，它包括起催化剂结构体或载体作用的陶瓷蜂窝结构。该催化转化器10包括圆筒型陶瓷蜂窝12和包围它的金属壳或密封外壳14。金属壳14由能够耐车下盐、温度和腐蚀的材料形成，但是通常优选铁素体不锈钢，包括SS-409、SS-439级和更新的SS-441级。材料的选择依赖于气体的类型、最高温度等。蜂窝12通过挤出陶瓷材料例如堇青石形成。金属壳14具有入口和出口部分16和18和主体部分20。从入口进入的气体流经各个蜂窝孔12，并从出口18流出。
虽然蜂窝孔可以具有正方形以外的形状，包括三角形、长方形等，但是陶瓷蜂窝12具有正方形孔。但是考虑到挤出模制的加工成本等，孔的形状通常是正方形。
陶瓷蜂窝12由弹性陶瓷纤维衬垫的环绕层或用作减震物的丝网22载在金属壳主体20上。环绕的衬垫层22一般是成形的陶瓷纤维材料，或是简单的非膨胀陶瓷材料或是膨胀材料，例如含有蛭石成分的材料，所述蛭石成分在外部的钢自整块陶瓷向外膨胀时，受热膨胀，保持牢牢地压紧。合格的非膨胀陶瓷纤维材料包括下述陶瓷材料，例如明尼苏达州Minneapolis的3M公司出售的商品名为“NEXTEL”和“SAFFIL”的产品，或由纽约州Niagara Falls的UnifraxCo.出售的商品名为“FIBERFRAX”和“CC-MAX”的商品。合格的膨胀陶瓷包括下述材料，由明尼苏达州Minneapolis的3M公司出售的商品名为“INTERAM”的产品，和也以上述商品名“FIBERFRAX”出售的膨胀材料。弹性衬垫层22以宽度基本等于蜂窝12的长度的方式，放在陶瓷体12与金属壳14之间。弹性衬垫层一旦安放压到蜂窝的外周，由此固定抵抗气流引起的拉力。
简而言之，形成催化转化器的一般方法包括用足量的支撑性衬垫材料包住基材，并将包住的基材塞入通常为圆筒型的金属容器内，或围绕被包住的基材压紧闭合容器，或将衬垫压紧至基材上，并将被衬垫包住的基材塞入金属壳内，形成气体密封并保持压缩应力。
本发明涉及一种上述方法的改进方法，它与上述一般/标准的方法不同，它包括将支撑性衬垫压紧至金属壳，而不是压紧至陶瓷蜂窝。在其最简单的方式中，催化转化器包括被弹性支撑衬垫环绕并装入金属壳内的整块陶瓷基材，组装催化转化器的方法包括下述步骤：(1)提供一个端部敞开的单件金属壳；(2)将一层弹性衬垫材料设置在金属壳的内表面，形成环绕的衬垫层；(3)将环绕的衬垫层压紧；(4)将陶瓷基材塞入金属壳内，同时使环绕的衬垫层保留在金属壳的内表面上。
本发明制造催化转化器的方法的各种实施方式如图2A-2C、3、4A-C、5A-C、8A-D和10AB所示。每个实施方式都至少包括下述基本步骤：(1)提供一个具有预定形状的金属壳14，该金属壳的形状基本与陶瓷基材12的形状相配；(2)向金属壳14内塞入足量的弹性支撑衬垫材料，形成环绕的衬垫层22；(3)将环绕的衬垫层22压紧至初始的间隙体积密度，该初始的间隙体积密度与预定的最终的间隙体积密度相等或比后者大；(4)放松衬垫层22上的压紧，并将基材12塞入有环绕衬垫层的金属壳14内，由此使衬垫层22放松，直至衬垫层以预定的最终间隙体积密度紧压在陶瓷基材12上。
下面参看图2A-2B，这些图示出了制备图1和2所示的催化转化器10的第一实施方式的具体阶段，所述转化器一般如上所述。在该实施方式中，压紧步骤包括采用压紧或类似心轴的器件26。该压紧器件26具有一个较小部分28和一个较大部分30，较小部分28用来逐渐压紧或预压紧环绕的衬垫，较大的部分30用来以起始的间隙体积密度完全压紧支撑性衬垫。在该实施方式中，较小部分28是锥形的，其一旦塞入金属壳内，随着将压紧器件26进一步塞入有衬垫层的金属壳14内，就起将环绕的衬垫层22逐渐压紧至金属壳14上的作用，直至衬垫层22被压紧器件的较大部分30完全压紧。较小部分或锥形部分28优选具有约2-10°的锥角(θ)。
在该实施方式中，较大部分30包括直形的圆筒表面，并具有如下所述的尺寸：(1)长度至少如支撑性衬垫22的宽度一样长；(2)剖面形状基本与陶瓷基材12的相配；和(3)剖面面积等于或大于陶瓷基材12的剖面面积。剖面面积比陶瓷基材12大的目的是一旦压紧器件26全部塞入较大部分或直形部分30，就将环绕的衬垫层22压紧或挤压至比最终产品的最终间隙体积密度大的起始间隙体积密度。起始的间隙体积密度与最终的间隙体积密度之差使陶瓷基材12能够塞入预先被压紧器件26占据的位置，不会引起支撑性衬垫的任何损坏，假设支撑性衬垫保持该起始的压紧足够长时间，足以能够脱除压紧器件26并塞入至少一部分陶瓷基材12。
另外，还考虑了压紧器件能够包括锥形。该锥形器件的底，即具有最大的直径，应当具有基本与陶瓷基材12相配的剖面形状，和等于或大于陶瓷基材12(即压紧器件的较大部分)的剖面面积。锥形器件的其他部分，从顶部到底部，起逐渐压紧环绕的衬垫的作用(即起较小部分的作用)，直至压紧器件完全塞入，由此锥形器件的最大直径部分就接触环绕的衬垫。如上所述，结果是，衬垫被压紧或挤压至比成品的最终间隙体积密度大的起始间隙体积密度。
表I报道了衬垫材料制造商为上述不同类型“INTERAM 100”支撑性衬垫材料设置的目标和最小间隙体积尺寸，所列数值是不同单位重量(g/m2)类型的INTERAM支撑性衬垫材料。
表I
  衬垫类型(g/m2)   目标间隙，mm   最小间隙，mm
  2600   2.9   2.01
  3100   3.4   2.51
  3662   4.0   2.96
  4070   4.5   3.29
上述压紧器件应当包含具有低摩擦系数的材料，优选根据JIS K-7125测得的静摩擦系数为0.15或更低，更优选0.1或更低。不用说，理想的静摩擦系数为0，但是由于材料的局限性，通常难以获得0.01或更低的系数。能够提供所要求的低摩擦系数的合适材料包括特氟隆涂覆的不锈钢或铝。
具体参看图2A和2B，催化转化器的组装方法包括将压紧器件的锥形部分塞入有衬垫层的金属壳14内，并迫使压紧器件26向下进入有衬垫层的金属壳14，直至直形部分30对齐衬垫层22的宽度，目的是完全压紧支撑性衬垫22。一旦压紧器件全部塞入，如图2A所示，而且直形部分30对齐环绕的衬垫层22，所述方法的下续步骤就是冷却和冻结压紧的衬垫层22，将衬垫层保持压紧在起始的间隙体积密度，同时压紧器件26保留在其位置上。如图2A和2B所示，一种冷却压紧的支撑衬垫的器件包括一个位于金属壳14的外表面上的中空螺旋管32，通过该管供应冷却剂。通过该螺旋管(标明冷却剂入口和冷却剂出口)供应冷却剂的作用是将衬垫冻结在其起始的压紧位置或起始的间隙体积密度。任何具有将衬垫冻结在该起始压紧位置的作用的液体都适合应用，一个例子是使用液态氮。
具体参看图2B，将衬垫层压紧至起始压紧位置之后，所述方法的后续步骤包括取出压紧器件26，取出方式是将它滑出其位置，接着将陶瓷基材12塞入有衬垫层的金属壳内，并塞入它可以对齐衬垫层22的位置。在衬垫层背后热起来，放松衬垫层22的起始压紧之前，进行该步骤，衬垫层变成由陶瓷基材12压紧，并达到最终的间隙体积密度。注意冷冻衬垫层22与陶瓷基材12之间的间隙，起始的间隙体积密度与最终的间隙体积密度之差就能够使陶瓷基材12塞入与衬垫层对齐，而不损坏衬垫。
下面参看图3，该图示出了一个实施上述图2A和2B所示方法的设备的改进实施方式，差别仅在于冷却(即冷却和冷冻具有起始间隙体积密度的衬垫)是通过螺旋槽36从内部实施，而不是通过螺旋管从外部实施。具体地说，直形部分30包括具有螺旋槽36的内部部分38和覆盖内部部分38以形成槽的外套部分40。流体通过管42供应(标有“冷却剂入口”和“冷却剂出口”)，管42经过锥形部分28，并与内冷却槽连接。除了冷却特征，该组装催化转化器的方法与图2A和2B所示的相同，因此，与图2A和2B所示相同的编号在图3中表示相同或相似的部分，省略其解释。
下面参看图4A-4B，这些图示出了本发明组装催化转化器的方法的第二实施方式的成形阶段。该方法包括使用上述的压紧器件、小锥形部分和大直形部分。起始参看图4A，第一步骤包括将陶瓷基材12放置到支撑板44上，然后将压紧器件26安装并固定到陶瓷基材12的顶表面。将压紧器件26固定到位的器件可以是任何能够将压紧器件26固定到位的器件。本发明中的固定器件包括通过支撑板44并与陶瓷基材12的底表面相连的真空连接线46。假定陶瓷是蜂窝状体，当抽真空时(标为“真空”)，它就将陶瓷基材12与放在陶瓷基材12的顶表面上的压紧器件26两者固定。所述方法的后续步骤包括以上述方式将衬垫层22装入金属壳14内，向金属壳14内塞入足量的衬垫层材料22，以形成有环绕的衬垫层的金属壳。然后，有衬垫层的金属壳就固定到安装板48上。
下面参看图4B，安装板48和所附带有衬垫层的金属壳14垂直对齐上述安装的基材/压紧器件结构体，然后，在安装板上向下施加压力，由此使有衬垫层的金属壳14与安装的基材/压紧器件滑到一起，直至衬垫层22与压紧器件的直形部分30对齐。下面参看图4C，下面的步骤包括再向安装板上向下施加压力，由此使安装板48再向下移动，直至接触支撑板44，由此将衬垫层22与陶瓷基材12对齐。如上所述，压紧器件直形部分30的剖面形状与面积基本与陶瓷基材12的相配，并大于后者的截面。这就再次产生了这样的结果，当直形部分30与衬垫层22对齐时，衬垫层就被压紧至起始的(较高的)间隙体积密度，随后当衬垫层22与陶瓷基材12对齐时，衬垫就压紧至较低的最终间隙体积密度。此外，该组装实施方式的附加结果是，陶瓷基材12全部位于衬垫内之后，由压紧器件26产生的施加到衬垫层22上的压力就均匀地施加到陶瓷基材表面12上。
与第一实施方式不同，该实施方式是连续的方法，应当注意，一旦环绕的衬垫滑到基材上，就放松其起始的压紧。因此，环绕的衬垫的放松是连续的过程，而且当衬垫的每部分滑到压紧器件上和基材上时仍在继续，继续直至环绕的衬垫全部位于基材上。虽然在衬垫全部位于基材上之前，衬垫的前行部分可以达到最终的间隙体积密度，但是整个衬垫不会达到该预定的最终的间隙体积密度，直至环绕的衬垫层全部位于基材上。
用于上述第二个实施方式的压紧器件的另一个实施方式如图4D所示。具体地说，该压紧器件的26小部分或预压紧部分包括两个部分：锥形部分33和直形部分35。较大部分30是锥形的，底的剖面形状基本与陶瓷基材12的形状和剖面面积相配，面积比陶瓷基材12的形状和剖面面积大。
下面参看图5A-5C，这些图示出了制备如图1和2所示的催化转化器的第三实施方式的步骤。在该实施方式中，压紧器件26包括较小的锥形部分28和较大的直形部分30，直形部分30具有空腔部分50。直形部分的空腔50的尺寸是使陶瓷基材12能够装入直形部分的空腔50内。此外，空腔部分的环形壁52具有至少与衬垫层22的宽度一样长的长度，同时环形壁52的周边形状基本与陶瓷基材12的形状相配。
图5A示出了该方法的起始步骤，包括首先将陶瓷基材12塞入空腔部分50，并用支撑组件44将陶瓷基材12固定在空腔50内，支撑组件44固定在压紧器件26的环形壁52上。
图5B示出了该方法的后续步骤，包括将有衬垫层的金属壳14滑到压紧器件的锥形部分30上，迫使有衬垫层的金属壳14向下，直至直形的空腔部分50对齐衬垫层22的宽度，空腔环形壁52的端部邻靠支撑组件44，由此压紧衬垫层22。环形壁52位于陶瓷基材12与衬垫层22之间，它起将衬垫层22压紧至金属壳12上的作用，与上述实施方式相似，压紧至比最终的间隙体积密度高的间隙体积密度。
下面参看图5C，下面的步骤包括取出压紧器件26和支撑组件44，由此逐渐放松衬垫层22的起始压紧，并使衬垫层22逐渐放松，并被陶瓷基材12压紧。一旦压紧器件26被全部取出，衬垫层就以最终的和所要求的间隙体积密度压紧至陶瓷基材12上。
下面参照附图6A-6D，这些图示出了制备如图1和2所示的催化转化器10的第四实施方式的成形阶段。与上述实施方式相同，该方法包括使用具有较小部分与较大部分的压紧器件，但是该实施方式中的压紧器件60包括两个相邻的零件，外套61和内冲杆66。外套61包括直形圆筒部分62(较小部分)和锥形的套爪64，该套爪可以径向膨胀(较大部分)；即它包含一系列构成其周边的锥形叶片。图7是沿图6A所示的线A-A的套爪及其相关的叶片的俯视图。在该实施方式中，所示出的压紧器件的套爪64包括8个可膨胀的叶片64A-64H，实际采用的叶片数目在本发明中不重要。冲杆66，与外套61相同，也包括两个部分。冲杆的直形部分68位于外套的直形部分62内，并与直形部分62的内壁接触，并能够沿该内壁滑动。冲杆的锥形部分70位于锥形套爪64内，与锥形套爪的内壁接触，并能够沿该内壁滑动。冲杆的锥形部分70还包括嵌入在其底表面内的至少两个弹簧72。如下所述，该弹簧和冲杆锥形部分的作用是使有叶片的套爪径向膨胀。
起始参看图6A，第一个步骤包括将陶瓷基材12放置到支撑板44上，然后将压紧器件60放置到陶瓷基材12的顶表面上，使弹簧72接触基材。用足以将压紧器件固定到位但是不压缩弹簧72的最小力，将压紧器件固定到基材12上的位置上。如上所述，用于将基材12固定到位的器件可以是任何能够将基材固定到位的器件。在该实施方式中，位于基材12的外周表面上的一系列多个定径夹具74起到将基材固定到位的作用。每个定径夹具都包括两个部分：(1)第一部分76是直接接触，与在适当位置的其他夹具组合，就环绕了基材的上部分的外周表面；和(2)第二部分78，在基材顶表面的上面伸出，并与在适当位置的其他夹具组合，形成比基材12略大的直径。
该方法的下面的步骤包括将衬垫层22以上述方式装入金属壳14内，形成环绕的衬垫层；向金属壳14内塞入足量的衬垫层材料22，形成环绕的衬垫层。接着，将有衬垫层的金属壳14固定到安装板48上，并塞到压紧器件60的外表面上，如图6B所示。然后向安装板48施加向下的力，由此使带有衬垫层的金属壳14变成与上述安装的基材/压紧器件结构垂直对齐。该向下的力持续到直至有衬垫层的金属壳14沿安装的压紧器件的外表面滑动，直至衬垫层22完全位于压紧器件直形部分62上，并与它对齐。注意，除了上述足以使弹簧72保持与基材12的顶表面接触的力以外，没有额外的力施加在压紧器件60上。
再仅向压紧器件60施加向下的力，由此迫使压紧器件与基材12接触。因为冲杆66的弹簧72与基材12的顶表面接触，所以弹簧的弹力就阻止冲杆的锥形部分70与基材实际接触。不影响锥形套爪叶片64的弹簧72的反作用力能够使套爪沿冲杆的锥形部分70滑动。结果导致套爪器件的叶片64径向膨胀成与一系列定径夹具的上部分78接触。以该方式，压紧器件的尺寸，尤其是锥形套爪的尺寸，就与基材的尺寸一致了，而且能够根据基材调节尺寸变化。也就是说，该方法能够补偿基材的直径变化。
不使用上述的弹簧，考虑了冲杆能够包括不同的器件，一旦与基材接触，就能够沿远离基材的方向迫使冲杆66运动或移动，由此使压紧器件的锥形部分沿冲杆的锥形部分70滑动。可选择包括：(1)在冲杆中加入液压零件，使冲杆沿远离基材的方向移动；或(2)使压紧器件成形成这样，冲杆以螺纹结构插入，使得当冲杆与基材接触时，冲杆能够以远离基材的方式转动。在任一情形下，远离基材12的冲杆66的运动都不会影响压紧器件锥形套爪的叶片64，结果，锥形套爪就沿冲杆的锥形部分70滑动。如上所述，效果是引起叶片64径向膨胀成与一系列定径夹具的上部分78接触。
下面参照附图6C，下面的步骤包括在安装板48上施加向下的压力，由此使有衬垫层的金属壳14沿压紧器件61的外表面滑动至刚好高于它接触周边系列的定径夹具74处的位置，此时取下定径夹具。图6D示出了下一步骤，它包括在取下定径夹具后，紧接着再对安装板48施加向下的力，由此使有衬垫层的金属壳14沿着基材12滑动，直至安装板48接触支撑板44，由此使衬垫层22对齐陶瓷基材12。
如上面实施方式所述，剖面形状基本与陶瓷基材12相配而且面积比后者略大的压紧器件的锥形套爪的结果是，衬垫层与基材对齐之前，起始的衬垫间隙体积密度比装入的衬垫的最终间隙体积密度大，也就是说，因为衬垫层完全与陶瓷基材对齐，所以衬垫层放松(压放松)，就导致陶瓷基材仅经受衬垫层的放松压紧，环绕的衬垫层就达到了其预定的最终衬垫密度。
如上连续实施方式所述，衬垫放松是一个连续过程，而且发生于环绕的衬垫从锥形套爪被强制压到基材上的全过程。而且整个环绕的衬垫没有完全达到其预定的最终间隙体积密度，直至环绕的衬垫全部位于基材上，尽管整个环绕的衬垫处于其最终位置之前，前面部分会达到该密度。
在优选的实施方式中，为了减少衬垫剪切或衬垫损耗的可能性，组装催化转化器的方法还包括另外两个特征：(1)在塞入压紧器件和基材过程中使环绕的衬垫保持就位；和(2)使用唯一形状的衬垫层。下面参看图8，该图示出了使环绕的衬垫，具体是软的支撑环，保持就位的一个实施方式。该被塞入金属壳14端部的软支撑环90的定位，在压紧器件被强制通过衬垫时，阻止环绕的衬垫22在金属壳14内滑动。另外，也考虑了使用位于环绕的衬垫与金属壳之间的粘合剂，能够保持衬垫在其位置上。
参看图9A和9B，它们是图8中A部分的分解图，每个都更详细地图示了软支撑环的构造和作用。图9A示出了软环90处于其非挠曲的形状。该软环包含内叶片部分92，它与凹槽94相邻，凹槽94用来使叶片部分92地方膨胀或向外挠曲。如图9A所示，该处于非挠曲形状的软支撑物(即叶片部分不挠曲)表现出恰好略小于压紧器件26的最大部分直径(即直形的非锥形部分30的直径)的内径。定所示出的非挠曲形状的软支撑环90的尺寸，即内径略小于压紧器件的最大直径，保证了环绕的衬垫不会被压到超出软环，因此仅用来将环绕的衬垫14恒定地保留在其位置上。
参看图9B，所示出的是处于挠曲形状的软环90。所示出的是这样的位置，即压紧器件26被推过环绕的衬垫22，压紧器件的最大直径部分(直形部分30)接触环绕的衬垫22最接近软叶片92的部分。所示出的是压紧器件使叶片92向外挠曲(略微靠近槽94)，来补偿压紧器件的较大直径尺寸，由此保证保持无间隙，并由此阻止衬垫被拉起。
确定软支撑环的精确非挠曲内径和凹槽尺寸/宽度，以便造成这样的结构，即压紧器件沿环绕的衬垫层滑动并通过它，而不在压紧器件与软支撑环之间形成任何间隙，是在本行业内的普通技术人员的知识范围内。也就是说，系统结构的设计不会造成或几乎不会造成衬垫拖拉和/或衬垫夹紧。
再次参看图8，示出的是上述平行四边形形状的环绕的衬垫22的几何形状。获得该起始衬垫结构的最简单的方法是以一定的角度切出环绕的衬垫的端部14a、14b，形成平行四边形，并在金属壳14内定向环绕的衬垫22，使得位于环绕的衬垫层14c的内部上的前沿最接近压紧器件26。因为压紧器件26被强制沿着环绕的衬垫层14滑动并通过衬垫层14，所以环绕的衬垫就是通过摩擦(即拖拉)使其表现出标准的形状，即端面平行于基材端面。
压紧器件的一种改进的形式如图10A和10B所示。具体地说，冲杆的第二部分，即位于压紧器件的锥形套爪内并与实际基材邻近的部分，被改进成包括独立并径向地膨胀每个锥形套爪叶片的器件。该独立的径向膨胀部分的好处是每个套爪叶片被强制沿径向的膨胀量对应于基材的尺寸，由此补偿基材所表现出的任何非圆形。具体参看图10A和10B，冲杆的第二部分仅包括T形底部分80，它与一系列负载弹簧82的锥形锲84相连，一个个锥形锲对应于位于周边的锥形套爪叶片64。另外，套爪的锥形叶片包括定径的伸出物86，它在套爪的主体部分以下伸出。此外，定套爪64的直径尺寸使它略大于要装入有衬垫层的金属壳内的基材12的直径，即定径的伸出物86是超出基材12的直径。
图11是沿图10A的线B-B的套爪及其相关的叶片的俯视图。在该实施方式中，所示出的压紧器件的套爪包括24个单独受控的锥形锲84和24个相关的可膨胀叶片64。所用的锥形锲/叶片的实际数目在本发明中不重要。
采用改进冲杆的方法与第四实施方式的相似，除了冲杆的操作不同。在有衬垫层的金属壳沿安装的压紧器件60的外表面滑动过程中的某些点处，和压紧器件60被强制与基材12接触之前，使冲杆66远离基材12运动。以该方式，弹簧82就被略微压缩，锥形锲84就避免与叶片64的锥形部分接触，即在锥形锲84与锥形叶片64之间有一个间隙88。在有衬垫层的金属壳14滑到锥形套爪叶片64上的过程中的某些点处，它就使环绕的衬垫施加一个足以使定径伸出物86保持靠着基材12的外表面的力。一系列独立地可径向运动的套爪叶片64和对应的定径伸出物86所产生的结果是，每个套爪叶片64都被强制与基材12的外周边接触，由此尽可能接近地与基材12的尺寸和形状相配。也就是说，每个叶片64仅独立地向内径向运动这样的距离，即直至它接触基材12的外周边，即与使其他叶片64径向运动的距离无关。由此，如果基材是非圆形的，那么锥形叶片就能够运动可变的距离，目的是补偿该非圆形。这与现有技术实施方式相反，现有技术实施方式中，所有锥形部分移动的径向距离相同，或该距离对应于第一部分至接触定径夹具的距离。
一旦有环绕的衬垫层的金属壳14被强制在套爪叶片64上移动，冲杆66就被强制朝向基材运动，放松作用在弹簧82上的压紧。冲杆66被强制朝向基材12运动的结果是，使锥形锲84能够向下运动，与锥形叶片64的内表面接触，由此使每个锥形锲84迫使它相应的套爪叶片64靠紧环绕的衬垫22。弹簧82的尺寸定成使得套爪叶片64被强制与环绕的衬垫22接触，但是不压紧衬垫，而是仅保持套爪叶片64在其起始位置上，使定径伸出物86接触并位于基材12的外周边上。这样的结果是衬垫被压紧至起始的衬垫间隙体积密度，而基材12受到保护，不受损坏或压碎。随着使有环绕衬垫层的金属壳14进一步向下运动，并移动到基材12上，环绕的衬垫层放松并以预定的最终间隙体积密度压紧到基材12上。
由此，在该最终的实施方式中，与制成的蜂窝陶瓷部分的尺寸和非圆形的变化性的几何形状无关，所述方法能够制成这样的催化转化器，其中保持的摩擦力可保持恒定、均匀和最佳。
与上述连续的组装实施方式相同，衬垫的放松是一个连续的过程，并发生于环绕的衬垫从独立的锥形套爪被强制压到基材上的整个过程中。而且整个环绕的衬垫不会完全达到其预定的最终间隙体积密度，直至环绕的衬垫全部位于基材上，尽管如上所述，环绕的衬垫层的前边部分可以在整个环绕的衬垫层处于其最终位置之前达到该密度。
虽然上述每个实施方式都采用了将衬垫压紧至基材上的压紧器件，但是也考虑了在塞入金属壳之前，可以将环绕的衬垫以压紧至起始间隙体积密度的形式放入，例如环绕的衬垫可以真空密封在塑料包装物内，接着塞入金属壳内。一旦环绕的衬垫塞入金属壳内之后，就能够将陶瓷基材塞入有环绕的衬垫层的金属壳内，然后刺穿塑料包装物。塑料的刺穿会使空气进入衬垫内，随后使衬垫紧贴陶瓷基材膨胀至其预定的最终衬垫间隙体积密度。在实际操作过程中，一旦转化器达到温度，包在环绕的衬垫周围的塑料包装物最终会烧掉。
应当注意，与采用的组装催化转化器的实施方式无关，衬垫层被压紧至陶瓷基材，使陶瓷基材处于足以防止陶瓷基材在正常的发动机操作过程中发生轴向运动的径向压力下。
总而言之，本发明的方法采用足够高的压力，目的是制成具有衬垫层的催化转化器，该衬垫层表现出足够的保持力，将基材保持就位，而且所述方法还采用足够低的“衬垫放松”压力，目的是不损坏衬垫层。此外，压紧力足以使衬垫层足够致密，以耐气体磨蚀。
实施例
为了进一步说明本发明的原理，有一个实施例描述根据本发明制成的蜂窝金属壳组合体，和两个由现有技术方法制成的对比蜂窝-金属壳组合体。但是，要明白，给出的实施例仅用于说明，不限制本发明，在不脱离本发明的精神和范围情形下，可以对本发明进行各种改变和变化。
实施例1是根据本发明上述第二个实施方式组装的蜂窝密封外壳组合体。该实施例中采用的蜂窝基材包括一个7.62厘米(3英寸)长、54.25孔/厘米2(350孔/英寸2)堇青石蜂窝基材，它的直径约为4.16″，孔壁厚为1.4×10-2厘米(5.5密耳)。所用的环绕衬垫是混杂的层，由膨胀和非膨胀层两种组成，而且单位重量为4550g/m2。采用Tekscan压力传感器测试制备操作过程中和制成后施加到基材上的径向压力分布。具体测得和记录的是基材径向面积上沿基材轴线长度上的任何点上经受的最大压力。
参看图12，所示出的是实施例1的径向压力分布(N/m2或psi)。对图12的检查表明，基材在采用压紧器件的组装过程中，没有经受任何压力，基材经受的最大压力是以最终组装形式制成后的压力。也就是说，基材经受的最大压力是制成后的压力，该压力约为5.17×105N/m2(75psi)。
实施例2是蜂窝-密封外壳组合体，该采用标准的“填充-安装”组装方法进行组装而成，所用的陶瓷基材和环绕材料与实施例1的类型相同，并具有同样的尺寸。参看图13，所示出的是实施例2的组装过程中和组装之后的压力分布，都用N/m2(或psi)表示。对图13的检查表明，基材经受的最大压力是采用填充安装方法进行组装的过程中的压力，该压力大于1.38×106N/m2(200psi)。
实施例3是蜂窝-密封外壳组合体，该组合体采用标准的“Tourniquet包围”组装方法进行组装而成，所用的陶瓷基材和环绕材料与实施例1的类型相同而且尺寸相同。参看图14，所示出的是实施例3的组装过程中和组装之后的压力分布，两者都用N/m2(或psi)表示。对图14的检查表明，基材经受的最大压力是采用该Tourniquet包围技术的组装过程中的压力，该压力约为1.03×106N/m2(150psi)。
要明白，本发明不局限于上述实施方式，在不脱离本发明的精神和范围情形下，本行业内的普通技术人员可以进行各种变化和改变。

Claims (11)

1.一种组装催化转化器的方法，该催化转化器包括被弹性支撑衬垫包围并装入金属壳内的整块蜂窝陶瓷基材，该方法包括如下步骤：
在单件金属壳上提供一个敞开的端部；
将一层弹性衬垫材料设置在金属壳的内表面上，形成环绕的衬垫层；
将环绕的衬垫层压紧；
将蜂窝陶瓷基材塞入金属壳内，同时使环绕的衬垫层顶住金属壳的内表面。
2.一种组装纯化内燃机尾气用的催化转化器的方法，该转化器包括被弹性支撑衬垫包围并被装入金属壳内的整块蜂窝陶瓷基材，该方法包括如下步骤：
提供一个具有预定形状的金属壳，该金属壳的形状与蜂窝陶瓷基材的形状基本相配；
向金属壳内塞入足量的支撑衬垫材料，形成有环绕的衬垫层的金属壳；
将环绕的衬垫层压紧至初始的间隙体积密度，该初始的间隙体积密度大于预定的最终间隙体积密度；
放松衬垫层上的压紧密度，并将所述基材塞入衬有环绕衬垫层的金属壳内，所形成的衬垫层以预定的最终间隙体积密度顶住蜂窝陶瓷基材。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于所述压紧环绕的衬垫层的步骤包括：
提供具有较小部分和较大部分的压紧器件，所述较大部分的剖面形状基本与蜂窝陶瓷基材的剖面形状相配，剖面面积比蜂窝陶瓷基材剖面面积大；
将压紧器件塞入有环绕的衬垫层的金属壳内，并将压紧器件移入有环绕的衬垫层的金属壳内，使得所述较大部分接触环绕的衬垫层，由此将衬垫层压紧至起始间隙体积密度；和
冷却压紧的衬垫层，由此将衬垫层保持压紧，同时压紧器件保持就位。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于衬垫层保持压紧一段时间后所述放松步骤包括取出压紧器件，随后，在衬垫层达到最终间隙体积密度之前，塞入蜂窝陶瓷基材。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于所述环绕的衬垫层的压紧包括如下步骤：
提供一个具有较小部分和较大部分的压紧器件，它的较小部分是锥形的，较大部分是直形的空腔部分，所述直形空腔部分的尺寸能使蜂窝陶瓷基材装入直形部分内，直形空腔部分具有环形壁，该环形壁的长度至少与环绕的衬垫层的宽度等长，环形壁的周边形状基本与蜂窝陶瓷基材的形状相配；
将蜂窝陶瓷基材塞入空腔部分，并用支撑组件将蜂窝陶瓷基材固定在空腔内，所述支撑组件固定在压紧器件的环形壁上；
将有环绕的衬垫层的金属壳滑到压紧器件的锥形部分上，直至直形的空腔部分对齐衬垫层的宽度，并邻靠支撑组件，由此将衬垫层压紧至起始间隙体积密度。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于所述放松步骤包括取出压紧器件和支撑组件，由此放松处于起始间隙体积密度的衬垫层的起始压紧密度，使衬垫层能够放松，并以预定的最终间隙体积密度顶住蜂窝陶瓷基材。
7.如权利要求2所述的方法，其特征在于所述环绕的衬垫层的压紧包括如下步骤：
提供一个具有较小部分和较大部分的压紧器件，它的较小部分是锥形的，较大部分包括一个直形部分，所述直形部分的长度至少与环绕的衬垫层的宽度等长，其剖面形状基本与蜂窝陶瓷基材的剖面形状相配，其剖面面积比蜂窝陶瓷基材剖面面积大；
将蜂窝陶瓷基材放到支撑板上，然后将压紧器件安装并固定到蜂窝陶瓷基材的顶表面；
将蜂窝陶瓷基材与已安装的压紧器件对齐；
将有环绕的衬垫层的金属壳固定到安装板上；
将基材/压紧器件与已装入环绕衬垫层的金属壳一同滑动，直至支撑衬垫与所述直形部分对齐，由此将衬垫层压紧至起始的间隙体积密度。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于所述放松步骤包括再将基材/压紧器件与装入环绕衬垫层的金属壳一同滑动，直至安装板接触支撑板，由此使衬垫与蜂窝陶瓷基材对齐，从而放松处于起始间隙体积密度的衬垫层的起始压紧，并使衬垫层能够达到其最终的间隙体积密度。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于所述压紧器件包括锥形器件，其所述较大部分是锥形器件呈现最大直径的部分，从而使剖面形状基本与蜂窝陶瓷基材的剖面形状相配，剖面面积大于蜂窝陶瓷基材的剖面面积。
10.如权利要求2所述的方法，其特征在于所述支撑衬垫的压紧包括：
提供一个具有较小部分和较大部分的压紧器件，其所述较小部分包括一个直形部分，而所述较大部分包括可径向膨胀的锥形套爪片，该锥形套爪能够膨胀至剖面面积等于或大于蜂窝陶瓷基材的剖面面积；
将有环绕衬垫层的金属壳塞到压紧器件的直形部分上，并使有环绕衬垫层的金属壳沿着直形部分滑动，直至直形部分与衬垫的宽度对齐，以便压紧衬垫层；和
将锥形套爪径向膨胀至剖面面积大于蜂窝陶瓷基材的剖面面积；然后，
再使有环绕衬垫层的金属壳沿着压紧器件滑动，直至有环绕衬垫层的金属壳与锥形套爪对齐，由此再将支撑衬垫压紧至起始的间隙体积密度。
11.一种组装催化转化器的设备，所述转化器包括整块蜂窝陶瓷基材、环绕的弹性衬垫层和金属壳，该设备包括：
将蜂窝陶瓷基材保持就位的支撑组件；
将环绕的衬垫层压紧到紧靠金属壳的压紧器件；
将环绕的衬垫层和金属壳滑动到压紧器件上和蜂窝陶瓷基材上的部件。
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