ЭКСТРУДИРОВАННЫЙ ЭЛЕМЕНТ С СОТОВОЙ СТРУКТУРОЙ ИЗ КЕРАМИКИ И/ИЛИ МЕТАЛЛА С ПОВЫШЕННОЙ ЭЛАСТИЧНОСТЬЮ Российский патент 1998 года по МПК B01J35/04 F01N3/28 

Изобретение относится к экструдированным элементам из керамики и/или металла. Такие элементы с сотовой структурой применяются прежде всего в каталитических конвертерах двигателей внутреннего сгорания.

Подобные элементы изготавливают обычно методом экструзии из порошкообразного либо гранулированного керамического материала, сушат и затем обжигают [1].

В последнее время этот способ применяют также при изготовлении электропроводящих элементов с сотовой структурой, обогреваемых электрическим путем, причем для их изготовления используют либо металл, либо металлокерамику [2]. Для того чтобы можно было влиять на электрическое сопротивление и прохождение электрического тока в таком элементе с сотовой структурой, предусматривает дополнительно прорези, расположенные в основном параллельно относительно экструдированных структур.

Обычно формы сечения каналов в экструдированных элементах с сотовой структурой представляют собой либо квадраты, прямоугольники, либо другие многоугольники. Так, в частности, на различных участках поперечного сечения может быть предусмотрено различное число каналов на единицу площади сечения [1].

Несмотря на упомянутые выше различия для всех известных на сегодняшний день экструдированных элементов с сотовой структурой общим является то, что они имеют предпочтительную ориентацию стенок каналов, причем эта предпочтительная ориентация стенок каналов обусловливает снижение эластичности в направлении этой предпочтительной ориентации. В каналах с квадратным сечением в элементах практически вообще отсутствует эластичность в направлении перемычек. Очень малая эластичность присуща также сотовым структурам, имеющим обычное шестиугольное сечение. Этот недостаток не удается устранить и в тех случаях, когда в различных направлениях предусматривают дополнительные стенки [1].

Наряду с известными уже много лет экструдированными элементами с сотовой структурой все более широкое применение находят также элементы с сотовой структурой, выполненные из листового металла, причем благодаря соответствующему структурированию и послойному размещению металлических листов изготавливают соответствующие элементы с сотовой структурой. Наряду с применявшимися ранее, выполненными из спиралеобразно свернутых металлических листов элементами с сотовой структурой известен также целый ряд конструкций, отличающихся существенно более высокой эластичностью.

Так, известна конструкция, имеющая принципиальное значение для обеспечения эластичности, в которой отдельные слои металлических листов проходят от центра к краям приблизительно в форме эвольвенты [3].

Известны и другие изготовленные по этому принципу элементы с сотовой структурой и их частично модифицированная форма [4].

Аналогичные свойства получают также в элементах, выполненных из S-образно скрученных металлических листов, причем на эластичные свойства и параметры колебаний можно воздействовать с помощью дополнительных усиленных слоев [5]. Такие и подобные им конструкции именно благодаря своей эластичности зарекомендовали себя как наиболее пригодные для обогреваемых электрическим путем элементов с сотовой структурой, как это указывается, в частности, в международной заявке WO 92/0714.

В основу изобретения была положена задача повысить эластичность изготавливаемых методом экструзии элементов с сотовой структурой, причем эластичность прежде всего должна быть одинаковой в различных направлениях. Повышенная эластичность таких элементов с сотовой структурой увеличивает их долговечность при изменяющихся термических нагрузках и дает возможность более широкого выбора при их изготовлении, прежде всего при изготовлении элементов, обогреваемых электрическим путем.

Данная задача решается с помощью экструдированного элемента с сотовой структурой из керамики и/или металла с множеством разделенных друг от друга перегородками каналов, в котором согласно изобретению по крайней мере на одном из внешних участков поперечного сечения элемента с сотовой структурой часть перегородок выполнена изогнутыми по направлению изнутри наружу.

Целесообразно, чтобы изогнутые перегородки были расположены спиралеобразно или в основном эвольвентообразно по направлению изнутри наружу. При таком выполнении они особенно эластичны, и тем, не менее, их можно равномерно разместить по всему сечению элемента.

Для разбивки промежутков между изогнутыми перегородками с помощью дополнительных перемычек на каналы существует много возможностей. Важно, чтобы дополнительные перемычки между изогнутыми перегородками не образовывали друг с другом жестких перемычек в радиальном направлении. Поэтому предпочтительно, чтобы между изогнутыми перегородками были предусмотрены поперечные перемычки, направление расположения которых между изогнутыми перегородками соответствовало бы расположению перегородок.

В элементе с сотовой структурой, выполненном из электропроводящего материала, прежде всего из экструдированной металлокерамической порошковой смеси, предусматриваются прорези для электроизоляционного секционированиия. Благодаря этим прорезям элемент секционирован в основном таким образом, что поток может проходить через него меандрообразно, а прилегающие к прорезям участки испытывают наибольшие механические нагрузки, и, следовательно, именно здесь эластичность конструктивных элементов дает большие преимущества.

В этом случае желательно, чтобы прорези были также изогнуты в своем поперечном сечении, предпочтительно параллельно изогнутым перегородкам, прежде всего спиралеобразно либо эвольвентообразно по направлению изнутри наружу.

Часть перегородок может иметь большую толщину по сравнению с остальными перегородками. Благодаря такому выполнению можно, например, уменьшить подверженность элемента вибрациям или направлять прилагаемые силы к определенным местам.

Так как прямые участки стенок всегда имеют различную степень гибкости в разных направлениях, особые преимущества можно получить при выполнении перегородок элемента с сотовой структурой состоящими в основном только из изогнутых участков.

Предпочтительно, чтобы в элементе с сотовой структурой из керамики/или металла с множеством отдельных проточных каналов, имеющих практически многоугольное сечение и разделенных друг от друга перегородками, проточные каналы были размещены на изогнутых по направлению изнутри наружу, расположенных предпочтительно эвольвентообразно линиях и ориентированы по этим линиям таким образом, что стенки размещенных на определенном расстоянии друг от друга проточных каналов были расположены непараллельно относительно друг друга.

Вышеизложенная сущность изобретения обусловлена тем, что жесткие в радиальном направлении структуры обеспечивают жесткость элемента в этом направлении и под воздействием приложенных под углом сил они могут вызвать опасность разрушения элемента. Жесткие в периферийном направлении структуры, т. е. круговые структуры, также повышают жесткость всего элемента. Поэтому важным условием для обеспечения гибкости элемента является отсутствие таких структур. Несмотря на это, в изготовленных методом экструзии элементах с сотовой структурой до настоящего времени использовали равномерное, симметричное расположение, при котором всегда получают предпочтительные направления перегородок. Во внутренней зоне элемента это обстоятельство не играет решающей роли, однако по крайней мере на одном из внешних участков, составляющем по меньшей мере 30%, предпочтительно более 50% радиуса, следовало бы выбирать более гибкую структуру. Так как большинство экструдеров в настоящее время изготавливают преимущественно методом электрокорродирования, то в техническом отношении не представляет трудности экструдировать стенки каналов практически любой конфигурации, даже если в силу предрассудков, распространенных среди специалистов, не делалось попыток предложить какие-либо другие формы каналов, кроме как с многоугольным сечением. Причину этого можно, по-видимому, объяснить тем, что некоторое время после экструзии элементы еще сохраняют относительную пластичность, что диктует необходимость обеспечить достаточную жесткость по крайней мере в том направлении, в котором действует сила тяжести. Тем не менее современная технология, даже с этой точки зрения, позволяет изготавливать стенки каналов практически любой конфигурации.

На чертеже представлено схематическое изображение элемента с сотовой структурой, поясняющее различные варианты выполнения предлагаемого изобретения.

Элемент 1 сотовой структурой принципиально отличается тем, что в нем отсутствуют расположенные в радиальном направлении структуры, равно как и круговые жесткие структуры. Каналы расположены на эвольвентообразных линиях 3, проходящих в направлении от центра 2 элемента к его краям. Эти линии сами могут представлять собой перегородки. В этом случае, например, благодаря волнообразно размещенным дополнительным перемычкам 8 могут быть образованы проточные каналы 4, края которых могут быть образованы только изогнутыми плоскостями. В другом варианте выполнения поперечные перемычки между расположенными эвольвентообразно перегородками 3 могут представлять собой также прямые перемычки 9, благодаря чему получают проточные каналы 5 с прямоугольным либо ромбическим поперечным сечением. Направление, в котором размещены такие поперечные перемычки, должно соответствовать, как это показано на примере перемычек 11, расположению изогнутых перегородок 3, благодаря чему площадь поперечного сечения образованных таким путем каналов 7 может поддерживаться практически постоянной. Следует, правда, отметить, что в элементе с сотовой структурой согласно изобретению могут использоваться также каналы 6 с многоугольным сечением, стенки 10 которых, однако, размещены таким образом, что каналы расположены не по прямым линиям, а по изогнутым линиям 3. И, наконец, в таком элементе с сотовой структурой можно предусмотреть, как это схематически показано на чертеже, прорези 12, расположенные параллельно изогнутым линиям 3, прежде всего с целью электрического секционирования элемента. Можно также предусмотреть усиленные перегородки 13 для направленного приложения сил или для влияния на условия вибронагрузки элемента.

Согласно международной заявке WO 92/02717 имеется, естественно, также возможность, заключающаяся в том, что изогнутые линии располагаются не точно по эвольвенте, а, например, во внешней зоне либо во внутренней зоне расходятся, благодаря чему в указанных зонах можно получать каналы с различным поперечным сечением.

Изобретение особенно пригодно для изготовления экструдированных электропроводящих элементов с сотовой структурой, равно как и для применения их в других областях, где имеют место высокие термические переменные нагрузки, и, следовательно, большие механические напряжения.

Экструдированный элемент в сотовой структурой предназначен для использования преимущественно в каталитических конвертерах двигателей внутреннего сгорания. Элемент выполнен из керамики и/или металла с множеством разделенных друг от друга перегородками каналов (4,5,6,7) и отличается тем, что по крайней мере на одном из внешних участков поперечного сечения часть перегородок (3) выполнена изогнутыми по направлениюю изнутри наружу. Каналы могут быть расположены на изогнутых, предпочтительно эвольвентообразно, линиях и ориентированы по этим линиям таким образом, что стенки (9,10,11) размещенных на определенном расстоянии друг от друга каналов расположены непараллельно друг другу. 2 с. и 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Экструдированный элемент (1) с сотовой структурой из керамики и/или металла с множеством разделенных друг от друга перегородками каналов (4, 5, 6, 7), отличающийся тем, что по крайней мере на одном из внешних участков поперечного сечения элемента с сотовой структурой часть перегородок (3) выполнена изогнутыми по направлению изнутри наружу. 2. Элемент по п.1, отличающийся тем, что изогнутые перегородки (3) расположены спиралеобразно или в основном эвольвентообразно по направлению изнутри наружу. 3. Элемент по п.1 или 2, отличающийся тем, что между изогнутыми перегородками предусмотрены поперечные перемычки (8, 9, 11), направление расположения которых между изогнутыми перегородками соответствует расположению перегородок. 4. Элемент по одному из пп.1 - 3, отличающийся тем, что элемент (1) с сотовой структурой выполнен из электропроводящего материала, прежде всего из экструдированной металлокерамической порошковой смеси, и что в нем предусмотрены прорези (12) для электроизоляционного секционирования. 5. Элемент по п.4, отличающийся тем, что прорези (12) также изогнуты в своем поперечном сечении, предпочтительно параллельно изогнутым перегородкам (3), прежде всего спиралеобразно либо эвольвентообразно по направлению изнутри наружу. 6. Элемент по одному из пп.1 - 5, отличающийся тем, что часть (13) перегородок (3) имеет большую толщину по сравнению с остальными перегородками (3). 7. Элемент по одному из пп.1 - 6, отличающийся тем, что перегородки (3, 8) состоят в основном только из изогнутых участков. 8. Элемент (1) с сотовой структурой из керамики и/или металла с множеством отдельных проточных каналов (5, 6, 7), имеющих практически многоугольное сечение и разделенных друг от друга перегородками, отличающийся тем, что проточные каналы (5, 6, 7) размещены на изогнутых по направлению изнутри наружу, расположенных предпочтительно эвольвентообразно линиях и ориентированы по этим линиям таким образом, что стенки (9, 10, 11) размещенных на определенном расстоянии друг от друга проточных каналов расположены непараллельно относительно друг друга.