ЭКСТРУДИРОВАННЫЙ СОТОВЫЙ ЭЛЕМЕНТ, В ЧАСТНОСТИ КОРПУС-НОСИТЕЛЬ КАТАЛИЗАТОРА, С УСИЛЕННОЙ СТРУКТУРОЙ СТЕНОК Российский патент 2003 года по МПК B01J35/04 

Изобретение относится к сотовому элементу согласно ограничительной части п.1 формулы изобретения. Подобные сотовые элементы используют, например, для каталитического превращения отработавших газов (ОГ) двигателя внутреннего сгорания.

Из WO 94/15712 известен сотовый элемент, изготовленный экструзией из керамического и/или металлического материала и имеющий множество проходящих по существу параллельно каналов, отделенных друг от друга разделительными стенками. Особенности структуры стенок повышают упругость сотовых элементов по сравнению с известными сотовыми элементами.

В JP 54-150406 A описан экструдированный сотовый элемент, каналы которого отделены друг от друга перегородками, пересекающимися практически под прямым углом друг к другу. В поперечном сечении сотового элемента разделительные стенки внутри двух зон, проходящие, пересекаясь, соответственно от одной наружной стороны сотового элемента до его противоположной наружной стороны, имеют большую толщину, чем основная толщина этих разделительных стенок. Перегородки с толстыми разделительными стенками пересекают указанные зоны диагонально продольному направлению последних, в результате чего эти перегородки имеют толстые и тонкие участки. В опыте на испытание механической прочности этот сотовый элемент сравнивали с двумя другими сотовыми элементами, толщина разделительных стенок у которых в указанных зонах бала равна основной толщине этих разделительных стенок. Приведенный в JP 54-150406 A в виде таблицы результат этого испытания ясно указывает на отсутствие у сотового элемента с более толстыми разделительными стенками в указанных зонах каких-либо преимуществ касательно механической прочности по сравнению с двумя другими сотовыми элементами, а по диагонали к направлению расположения перегородок его механическая прочность была даже ниже.

В последние годы разработка новых сотовых элементов ведется в направлении снижения их теплоемкости. Меньшая теплоемкость позволяет, в частности, улучшить пусковые качества при использовании сотовых элементов в качестве каталитических нейтрализаторов ОГ. При этом раньше достигается та рабочая температура, при которой начинается каталитический процесс. Наряду с теплоемкостью определенную роль в разработке играет и потеря давления при прохождении потока газов через сотовый элемент. Такая потеря давления должна быть по возможности минимальной. Обе цели описанных разработок, а именно низкая теплоемкость и небольшая потеря давления, могут быть достигнуты за счет использования тонкостенных каналов. Однако толщину стенок каналов нельзя уменьшать бесконечно, поскольку в противном случае структура стенок теряет жесткость и разрушается при действии термических и/или механических нагрузок.

Исходя из вышеизложенного, в основу настоящего изобретения была положена задача разработать экструдированный сотовый элемент, разделительные стенки каналов в котором были бы тонкими, но в то же время обладали бы жесткой структурой.

Указанная задача решается согласно изобретению с помощью сотового элемента с отличительными признаками п.1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты выполнения изобретения представлены в зависимых пунктах формулы. Кроме того, указанная задача решается в соответствии с изобретением с помощью сотового элемента согласно отличительным признакам п.13 формулы изобретения.

Предлагаемый в изобретении сотовый элемент имеет каналы, ограниченные стенками одной толщины и стенками другой толщины, при этом первая толщина стенок меньше второй. Стенки каналов второй толщины образуют решетчатую структуру, придающую сотовому элементу жесткость. Решетчатая структура стенок включает несколько практически прямых перегородок, которые, отходя в соответствующем месте поперечно краю сотового элемента, проходят от соответствующей наружной стороны внутрь сотового элемента или полностью пересекают сотовый элемент. Под перегородкой понимают являющиеся продолжением друг друга стенки нескольких каналов.

В одном из вариантов выполнения предлагаемого сотового элемента несколько перегородок пересекают внутреннюю часть сотового элемента от одной его наружной стороны до другой противоположной ей наружной стороны. Это позволяет, в частности, на тех краевых участках сотового элемента, где начинаются полностью пересекающие его внутреннюю часть перегородки, отводить от сотового элемента действующие на него снаружи усилия, не допуская его повреждения. Однако и не пересекающие полностью внутреннюю часть сотового элемента перегородки второй толщины могут отводить от сотового элемента действующие на его край усилия. Обращенные внутрь сотового элемента перегородки могут передавать при этом усилия на множество соединенных с ними стенок первой толщины, распределяя таким образом внутри сотового элемента действующие на него извне усилия.

В другом варианте выполнения сотового элемента несколько перегородок второй толщины проходят по меньшей мере до одного общего узла, в котором они соединяются друг с другом и который находится внутри сотового элемента. Под "узлом" понимают участок, на котором по меньшей мере две приблизительно прямые перегородки жестко соединены друг с другом. Узлом является вытянутый в длину, проходящий вдоль определенной линии участок соединения перегородок. Существуют варианты выполнения сотового элемента, в которых соединенные друг с другом узлом перегородки проходят от одной наружной стороны до другой практически противоположной ей наружной стороны, варианты, в которых (приблизительно прямые) перегородки заканчиваются в узле, и варианты, в которых все или часть соединяющихся в узле перегородок продолжаются и за узлом, не доходя до противолежащей наружной стороны.

Преимущество изобретения заключается в возможности изготовления сотовых элементов с жесткой тонкостенной конструкцией сотовой структуры. Это позволяет, например, получить сотовую структуру с высокой плотностью ячеек, т.е. с большим количеством проточных каналов на единицу площади поперечного сечения сотового элемента, избегая такого недостатка, как большая потеря давления в потоке ОГ. Высокая плотность ячеек благоприятно сказывается на эффективности каталитического превращения ОГ, поскольку с увеличением плотности ячеек возрастает и площадь каталитически активной поверхности на единицу объема сотового элемента.

В период пуска холодного двигателя внутреннего сгорания или его повторного пуска с каталитическим нейтрализатором ОГ важно, чтобы этот нейтрализатор как можно быстрее достигал рабочей температуры. Тонкие стенки обеспечивают это за счет их низкой теплоемкости. Решающее значение имеет быстрое достижение стенками рабочей температуры по меньшей мере на определенных участках. Однако нет необходимости в том, чтобы такая температура достигалась практически одновременно по всему объему каталитического нейтрализатора, поскольку химические реакции, протекающие по достижении указанной рабочей температуры, являются экзотермическими. Поэтому размеры зон, достигших или превысивших рабочую температуру, быстро увеличиваются.

Применение предлагаемых в изобретении сотовых элементов приводит к раннему началу в каталитических нейтрализаторах ОГ каталитического процесса. При примерно равномерном обтекании имеющих первую и вторую толщину стенок каналов потоком горячих ОГ каталитический процесс начинается на (более тонких) стенках первой толщины и быстро распространяется на стенки второй толщины. По сравнению с сотовыми элементами той же теплоемкости, но имеющими стенки одной толщины, каталитический процесс начинается раньше. Однако этот процесс начинается раньше даже в том случае, когда предлагаемые сотовые элементы имеют большую теплоемкость, но каналы в них имеют более тонкие стенки.

Преимущество предлагаемого согласно изобретению сотового элемента состоит в возможности отводить с помощью повышающей его жесткость структуры стенок даже усилия, действующие на сотовый элемент в направлениях, не совпадающих с направлениями расположения перегородок второй толщины. В частности, устойчивы к таким нагрузкам предлагаемые в изобретении сотовые элементы, чья повышающая их жесткость структура стенок имеет по меньшей мере четыре перегородки, пересекающиеся в одном узле. В еще одной модификации этого варианта указанные по меньшей мере четыре перегородки образуют между собой в поперечном сечении сотового элемента примерно одинаковые углы с вершинами в узле. У сотовых элементов, которые имеют приблизительно вращательно-симметричные наружные поверхности и каналы в которых проходят сквозь них практически параллельно оси вращения, узел предпочтительно располагать примерно на этой оси вращения. Кроме того, могут иметься дополнительные узлы, соединяющие перегородки, пересекающиеся в лежащем на оси вращения узле, с другими перегородками.

Еще одно преимущество предлагаемого в изобретении сотового элемента состоит в его поведении при вибрации. Жесткая конструкция повышает вибропрочность решетчатой структуры стенок. Однако помимо этого она еще и сокращает амплитуду колебаний в направлении, перпендикулярном осевой длине сотового элемента, на участках расположения структуры только с более тонкими стенками каналов. Такие величины амплитуды колебаний могут быть согласованы с конкретной целью применения сотового элемента. При этом следует избегать возникновения в сотовой структуре резонансных колебаний.

В еще одном варианте выполнения предлагаемого в изобретении сотового элемента имеющие первую толщину стенки каналов составляют внутри него большую часть поверхности всех стенок каналов, чем стенки каналов второй толщины, при этом первая толщина по меньшей мере на 20% меньше второй толщины.

Под "определенной" толщиной стенки канала понимают ее среднюю толщину, при этом толщина в конкретном месте может на несколько процентов отличаться от средней толщины.

В одном из вариантов выполнения сотового элемента первая толщина составляет 20-60 мкм, предпочтительно примерно 30 мкм.

В другом предпочтительном варианте выполнения сотового элемента он имеет наружный периметр, внутри которого расположены каналы, причем в нем имеется также множество замкнутых круговых перегородок, которые пересекаются с прямыми перегородками второй толщины и каждая из которых расположена на различном, но примерно постоянном удалении от периметра сотового элемента, образуя в поперечном сечении участки в виде кольцевых сегментов. В еще одном варианте по меньшей мере часть замкнутых круговых перегородок имеет первую толщину. В другом варианте имеющие форму кольцевых сегментов участки разделены на более мелкие другими стенками каналов, проходящими поперечно замкнутым круговым перегородкам. В следующем варианте все каналы, по меньшей мере на участках в виде кольцевых сегментов, имеют примерно одинаковую площадь поперечного сечения.

Кроме того, положенная в основу изобретения задача решается с помощью сотового элемента, имеющего множество сквозных каналов для прохождения текучей среды, по меньшей мере часть которых ограничена и/или отделена друг от друга стенками первой толщины и по меньшей мере часть которых ограничена и/или отделена друг от друга стенками второй толщины, которая больше первой толщины, при этом сотовый элемент имеет придающую ему жесткость структуру стенок, образованную стенками второй толщины. В таком сотовом элементе придающая ему жесткость структура стенок имеет несколько приблизительно прямых перегородок второй толщины, каждая из которых проходит от одной соответствующей точки, лежащей на крае сотового элемента, через внутреннюю часть сотового элемента до другой точки, лежащей на его крае. В таких точках, лежащих на крае сотового элемента, предпочтительно начинаются и заканчиваются по меньшей мере две из перегородок второй толщины.

Ниже изобретение более подробно поясняется на примере нескольких не ограничивающих объем изобретения вариантов выполнения предлагаемого сотового элемента со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:
на фиг.1 - сотовый элемент с придающей ему жесткость структурой стенок, выполненной по типу колесных спиц,
на фиг.2 - сотовый элемент с овальным сечением,
на фиг. 3 - сотовый элемент со звездообразной, придающей ему жесткость структурой стенок,
на фиг. 4 - сотовый элемент с тремя соединенными в одном узле перегородками второй толщины,
на фиг.5 - поперечное сечение сотового элемента с восьмью плоскими перегородками второй толщины, не имеющими общего соединительного узла.

На фиг.1 показан сотовый элемент 11 круглого поперечного сечения, имеющий выполненную в виде колесных спиц, придающую ему жесткость структуру 14 стенок с четырьмя пересекающимися в узле 5 перегородками 13 второй толщины. Перегородки 13 полностью пересекают внутреннюю часть сотового элемента 11, проходя от одной его наружной стороны до противолежащей наружной стороны. Узел 5 расположен примерно на оси вращения сотового элемента 11. Каждые две соседние перегородки 13 образуют с вершиной в узле 5 угол α, составляющий в каждом случае примерно 45^o. Выполненную в виде колесных спиц структуру 14 стенок дополняет охватывающий ее снаружи по всему периметру кожух 6 (или боковая поверхность), придающий этой структуре 14 дополнительную жесткость. В данном случае кожух 6 имеет примерно ту же толщину, что и перегородки второй толщины. Однако сотовый элемент можно выполнять и с еще более толстым кожухом 6. На фиг.1 на трех различных участках показаны примеры возможных вариантов выполнения всей структуры стенок каналов. В правой части показан пример выполнения стенок 2 каналов первой толщины. В этом случае каналы 7 имеют примерно квадратное сечение. Отдельные каналы 7 ограничены стенками 3 второй толщины, а именно в тех местах, где показанный рисунок каналов пересекают прямые перегородки 13 второй толщины. В левой нижней части на фиг.1 показаны изогнутые перегородки 12 первой толщины, которые пересекают перегородки 13 второй толщины и каждая из которых расположена на различном, но примерно на постоянном удалении от периметра сотового элемента 11, образуя в поперечном сечении участки в виде кольцевых сегментов между соответствующими двумя перегородками 12 первой толщины и двумя прямыми перегородками 13 второй толщины. Эти участки в виде кольцевых сегментов поделены на более мелкие другими стенками 2 первой толщины. При этом разделительные стенки 2 каналов изогнуто проходят между двумя соответствующими перегородками 12 первой толщины. Благодаря тому, что стенки 2 каналов проходят не в радиальном направлении, повышается упругость сотового элемента 11. В остальном более подробное описание сотовых элементов с выполненными подобным образом стенками 2 каналов приведено в WO 94/15712.

Другая структура стенок 2 первой толщины показана в левой верхней части по фиг. 1. Она отличается наличием прямых стенок 2 каналов, разделяющих имеющие форму кольцевых сегментов участки на более мелкие. Все образованные таким образом каналы 7 имеют в поперечном сечении примерно одинаковый размер. Существуют и другие (не показаны) варианты выполнения предлагаемого в изобретении сотового элемента, в которых к изогнутым перегородкам 12 первой толщины примыкают дополнительные перегородки второй толщины, соединяющие указанные перегородки 12 с краем сотового элемента. Эти перегородки второй толщины не проходят от края сотового элемента до узла 5.

На фиг. 2 показан сотовый элемент 21 с овальным кожухом 16 и придающей ему жесткость структурой 24 стенок. Две из четырех перегородок 13 второй толщины, расположенные внутри сотового элемента 21, пересекаются в узле 5. Две другие перегородки 13 служат дополнительной опорой сотовому элементу 21, соединяя друг с другом по краю обе противолежащие плоские наружные стороны сотового элемента 21. В местах 8 соединения с кожухом по две перегородки 13 второй толщины сходятся вместе у ее овального кожуха 16.

На фиг. 3 показан сотовый элемент 31 со звездообразной, придающей жесткость структурой 34 стенок. При этом каждая из шести прямых перегородок 23 проходит через два узла 5. Всего в такой придающей жесткость структуре 34 стенок имеется шесть подобных узлов 5.

Следующий пример выполнения сотового элемента показан на фиг.4. В этом варианте три перегородки 13 второй толщины соединяют три точки на краю сотового элемента 41 с узлом 5. Придающая жесткость структура 44 стенок перегородками 13 разделяет сотовый элемент 41 на три одинаковых по величине сегмента.

Еще один вариант выполнения сотового элемента показан на фиг.5. Придающая жесткость структура 54 стенок имеет восемь прямых перегородок 33, усиливающих сотовый элемент 51 прежде всего в его внешней зоне. Перегородки 33 при этом не имеют общих узлов их взаимного пересечения. Каждая их этих перегородок начинается в одной из точек 8 их соединения с кожухом сотового элемента 51, отходя перпендикулярно от соответствующей касательной к его краю плоскости, и позволяет передавать внутрь сотового элемента 51 усилия, действующие на последний примерно перпендикулярно указанной касательной плоскости. Затем эти усилия передаются на структуру стенок 2 первой толщины и распределяются внутри сотового элемента 51.

Как следует из описанных выше вариантов выполнения, предлагаемый сотовый элемент имеет конструкцию, аналогичную конструкции известных сотовых элементов. Изготавливать их можно теми же способами, что и известные сотовые элементы. Это позволяет изготавливать сотовые элементы с придающими жесткость структурами стенок примерно с теми же затратами.

Изобретение относится к сотовому элементу, который используют, например, для каталитического превращения отработавших газов двигателя внутреннего сгорания. Экструдированный сотовый элемент, в частности корпус-носитель катализатора, имеет множество сквозных каналов для прохождения текучей среды. По меньшей мере часть каналов ограничена и/или отделена друг от друга стенками первой толщины и по меньшей мере часть каналов ограничена и/или отделена друг от друга стенками второй толщины, которая больше первой толщины. При этом сотовый элемент имеет придающую ему жесткость структуру стенок, образованную стенками второй толщины. Придающая жесткость структура стенок имеет несколько приблизительно прямых перегородок второй толщины, которые, отходя в соответствующем месте поперечно краю сотового элемента, проходят от соответствующей наружной стороны внутрь сотового элемента или полностью пересекают сотовый элемент. Ни один из каналов не ограничен только стенками, являющимися продолжениями перегородок второй толщины. Несколько перегородок проходят по меньшей мере до общего узла, которым они соединяются друг с другом внутри сотового элемента. Описан также второй вариант выполнения сотового элемента. Предлагаемые в изобретении сотовые элементы могут при высокой жесткости иметь очень тонкостенные каналы, что придает им по меньшей мере локально особо низкую теплоемкость. 2 с. и 10 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Экструдированный сотовый элемент (11; 21; 31; 41; 51), в частности корпус-носитель катализатора, имеющий множество сквозных каналов (7) для прохождения текучей среды, по меньшей мере часть которых ограничена и/или отделена друг от друга стенками (2) первой толщины и по меньшей мере часть которых ограничена и/или отделена друг от друга стенками (3) второй толщины, которая больше первой толщины, при этом сотовый элемент (11; 21; 31; 41; 51) имеет придающую ему жесткость структуру (14; 24; 34; 44; 54) стенок, образованную стенками (3) второй толщины, отличающийся тем, что придающая жесткость структура (14; 24; 34; 44; 54) стенок имеет несколько приблизительно прямых перегородок (13; 23; 33) второй толщины, которые, отходя в соответствующем месте поперечно краю сотового элемента, проходят от соответствующей наружной стороны внутрь сотового элемента (11; 21; 31; 41; 51) или полностью пересекают сотовый элемент (11; 21; 31; 41; 51), при этом ни один из каналов (7) не ограничен только стенками (3), являющимися продолжениями перегородок (13; 23; 33) второй толщины, а несколько перегородок (13; 23) проходят по меньшей мере до общего узла (5), которым они соединяются друг с другом внутри сотового элемента (1; 11). 2. Сотовый элемент по п. 1, отличающийся тем, что несколько перегородок (13; 23) полностью пересекают внутреннюю часть сотового элемента (11; 21; 31; 41) от одной наружной стороны до противоположной ей наружной стороны. 3. Сотовый элемент по п. 1 или 2, отличающийся тем, что придающая жесткость структура (14) стенок имеет по меньшей мере четыре перегородки (13), пересекающиеся в узле (5). 4. Сотовый элемент по п. 3, отличающийся тем, что по меньшей мере четыре перегородки (13) образуют между собой в поперечном сечении сотового элемента (11) примерно одинаковые углы (α) с вершиной в узле (5). 5. Сотовый элемент по п. 4, который имеет приблизительно вращательно-симметричные наружные поверхности и каналы (7), в котором проходят сквозь него практически параллельно оси вращения, отличающийся тем, что узел (5) лежит примерно на оси вращения. 6. Сотовый элемент по любому из пп. 1-5, отличающийся тем, что внутри него имеющие первую толщину стенки (2) каналов составляют большую часть поверхности всех стенок каналов, чем стенки каналов второй толщины, при этом первая толщина по меньшей мере на 20% меньше второй толщины. 7. Сотовый элемент по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что первая толщина составляет 20-60 мкм, предпочтительно примерно 30 мкм. 8. Сотовый элемент по любому из пп. 1-7, отличающийся наличием множества замкнутых круговых перегородок (12), каждая из которых расположена на различном, но примерно постоянном удалении от периметра сотового элемента (11), образуя в поперечном сечении участки в виде кольцевых сегментов. 9. Сотовый элемент по п. 8, отличающийся тем, что по меньшей мере часть замкнутых круговых перегородок (12) имеет первую толщину. 10. Сотовый элемент по п. 8 или 9, отличающийся тем, что имеющие форму кольцевых сегментов участки разделены на более мелкие другими стенками (2) каналов, проходящими поперечно замкнутым круговым перегородкам (12). 11. Сотовый элемент по п. 10, отличающийся тем, что все каналы (7) имеют примерно одинаковую площадь поперечного сечения. 12. Экструдированный сотовый элемент (11; 21; 31), в частности корпус-носитель катализатора, имеющий множество сквозных каналов (7) для прохождения текучей среды, по меньшей мере часть которых ограничена и/или отделена друг от друга стенками (2) первой толщины и по меньшей мере часть которых ограничена и/или отделена друг от друга стенками (3) второй толщины, которая больше первой толщины, при этом сотовый элемент (11; 21; 31) имеет придающую ему жесткость структуру (14; 24; 34) стенок, образованную стенками (3) второй толщины, отличающийся тем, что придающая жесткость структура (14; 24; 34) стенок имеет несколько приблизительно прямых перегородок (13; 23) второй толщины, каждая из которых проходит от одной соответствующей точки, лежащей на краю сотового элемента (11; 21; 31), через внутреннюю часть сотового элемента (11; 21; 31) до другой точки, лежащей на его краю, при этом по меньшей мере две из перегородок второй толщины начинаются и заканчиваются в подобных точках, лежащих на краю сотового элемента, и ни один из каналов (7) не ограничен только стенками (3), являющимися продолжениями перегородок (13; 23) второй толщины.