Устройство для измерения температуры и/или нагрева и его применение в ячеистых конструкциях, в частности, корпусах- носителях катализатора

Устройство для измерения температуры и/или нагрева и его применение в ячеистых конструкциях, в частности, корпусах- носителях катализатора

Реферат

 

Использование: для измерения температуры в ячеистых телах, в частности, носителях катализатора. Сущность изобретения: между одинаково структурированными листами из металлической фольги в образованной в них выпуклости расположен датчик температуры или нагревательный проводник. При использовании других частично структурированных листов образуется металлический корпус - носитель катализатора. Корпус - носитель катализатора расположен в трубчатой оболочке. 13. з.п. ф-лы, 8 ил.

Настоящее изобретение относится к устройству, которое предназначено для измерения температуры и/или нагрева металлической ячеистой конструкции, в частности, корпуса-носителя катализатора в устройствах для отвода выхлопных газов в двигателях внутреннего сгорания.

В связи с тем, что во всем мире ужесточаются требования в отношении выбросов для двигателей внутреннего сгорания, прежде всего для автомобилей, все большее распространение получают каталитические конвекторы для нейтрализации выхлопных газов. При этом необходимо регулировать процесс сгорания в двигателе в зависимости от многих параметров измерения, в также контролировать функционирование и состояние подключенного конвектора и при определенных условиях осуществлять их совместное регулирование. Одновременно необходимо делать замеры температуры в системе выхлопа и/или в самом каталитическом конвекторе.

Принципиальная конструкция каталитического конвектора раскрыта, например, в заявке WO 89/07488, причем в ней, в частности, описывается металлическая ячеистая конструкция, состоящая из множества частично структурированных слоев из металлических листов, один или несколько из которых упрочнены, причем эти металлические слои выполнены в виде двух или нескольких одинаковых структурированных и прилегающих друг к другу листов.

Также из заявки WO 90/03220 известно различное выполнение ячеистых конструкций из структурированных металлических листов, в частности, чередующихся гладких и гофрированных листов. Из заявки WO 89/10471 известен, кроме того, электрический нагрев таких ячеистых конструкций.

И, наконец, в еще неопубликованной более ранней международной заявке PCT/EP89/00311 описываются различные возможности встраивания температурных датчиков в металлическую ячеистую конструкцию для непосредственного измерения в ней температуры.

Проблема измерения в выхлопном газе и в особенности в полости каталитического конвектора состоит в том, что выхлопной газ при температуре при определенных обстоятельствах свыше 1000^oC является сильно корродирующим, и поэтому сплавы, обычно пригодных для изготовления температурных датчиков или нагревательных элементов, не могут применяться здесь незащищенными.

Другая проблема состоит в том, что поток выхлопного газа в системе его отвода не имеет равномерно распределенного по поперечному сечению системы отвода выхлопных газов температурного профиля, вследствие чего точечный замер температуры, как правило, не всегда дает достаточно правильную картину. Поэтому необходимо, как уже указывалось в заявке PCT/EP89/00311, осуществлять замер по возможности линейно по наиболее показательному поперечному сечению системы отвода выхлопных газов.

Задачей настоящего изобретения является создание устройства для измерения температуры и/или нагрева, которое может применяться прежде всего в полости каталитических конверторов, в которых могут использоваться любые материалы без необходимости учета и коррозионной стойкости.

Для решения этой задачи служит устройство для измерения температуры и/или электрического нагрева, содержащее а) по меньшей мере, два слоя, в частности, верхний и нижний слой, расположенные преимущественно с плотным прилеганием друг к другу и состоящие из одинаково структурированных металлических листов; б) одну полость, образованную выпуклостью по меньшей мере на одном из обоих листов; в) один температурный датчик и/или нагревательный элемент, проходящий в полости (38), и соответственно его поводка в полости.

В таком устройстве верхний и нижний слои состоят из жаропрочного коррозионностойкого материала и защищают собственно температурный датчик и его подводку. При этом данное изобретение одинаково пригодно как для датчиков, осуществляющих точечные замеры, подводка которого должна защищаться, так и для датчиков, замеры по линии или плоскости, а также для нагревательных элементов, которые необходимо защищать целиком. Обычно температурный датчик состоит из проволоки или пленки, обладающей электрическим сопротивлением, выполненной прежде всего из сплавов никеля. Часто находят применение так называемые измерительные проводники с защитной оболочкой, в которых проволока, обладающая сопротивлением, встроена в слой из электроизолирующего керамического порошка, помещенного в оболочку в виде металлической трубки. Для таких измерительных проводников с защитной оболочкой особенно пригодно данное изобретение, однако, именно благодаря наличию защищающего верхнего и нижнего слоя, также возможно заделать измерительный проводник непосредственно между электрически изолированными слоями. При этом измерительный проводник на своем конце может быть соединен с верхним слоем таким образом, что необходимо лишь проложить электропроводную жилу и подключить ее, в то время, как другое подключение осуществляется обычно за счет имеющегося контакта верхнего слоя на "массу". Однако, в принципе, изобретение пригодно также и для двужильных или даже многожильных проводников, прежде всего для U-образного приложения в металлической трубочке проводников.

Так как для верхнего и нижнего слоя применяются в основном очень тонкие металлические фольги толщиной от 0,02 до 0,1 мм для прокладки электронагревательных проводников, датчиков температуры или подводки, называемых в дальнейшем как измерительный проводник, выполнять полость посредством образования выпуклостей в обоих листах таким образом, чтобы необходимое деформирование листов не было слишком большим. Однако, в принципе, возможно также создать полость за счет образования выпуклости только в одном из обоих окружающих проводник листов. При этом устройство согласно настоящему изобретению можно выполнять в листах с практически любым структурированием, однако наиболее предпочтительно, если листы имеют гофрирование с определенной высотой гребня, а измерительный проводник прокладывается поперек гребней. При этом для последующего выполнения ячеистой конструкции особенно целесообразно, если выпуклости выполнены таким образом, что они не изменяют высоту гребня, а всегда прилегают к внутренним сторонам гребней. Такое устройство можно, например, изготовить таким образом, что измерительный проводник завальцовывается между двумя металлическими фольгами посредством двух взаимодействующих друг с другом зубчатых вальцов, в частности, с эвольвентным зацеплением. При этом оба вальца, осуществляющие гофрирование, снаружи по окружности снабжены пазом, глубина которого приблизительно соответствует диаметру заделываемого проводника. Этот паз выполняет роль только углубления для зубьев гофрирующих вальцев, которые затем формуют внутренние стороны гребней. Таким образом, проводник может быть завальцован так, что он всегда проходит по внутренней стороне гребней и тем самым не влияет на высоту гребней, благодаря чему гребни по обеим сторонам гофрировки не дают возможности увидеть наличие измерительного проводника. При дальнейшем выполнении металлической ячеистой конструкции это имеет решающее значение.

Хотя в принципе можно завальцевать измерительный проводник и между гладкими фольгами, например, с помощью пары вальцов, у которой один валок выполнен из эластичного материала, но не каждый гладкий лист достаточно легко превратить в ячеистую конструкцию, так как для выпуклости при определенных обстоятельствах может потребоваться соответствующий паз в соседних структурированных листах, а гладкий лист с выпуклостью является более жестким на изгиб, чем обычный гладкий лист. И наоборот, гофрированный лист с измерительным проводником является очень эластичным, по его внешним линиям прилегания его нельзя отличить от обычных гофрированных листов, а вследствие наличия гребней в них может располагаться более длинный температурный датчик или нагревательный элемент по сравнению с гладким листом, благодаря чему значительно повышается точность измерения или допускается любое сопротивление нагревательного проводника.

Для повышения срока службы в коррозионной среде часто бывает важным расположить измерительный проводник герметично между обоими листами. Для этого целесообразно герметично соединить слои друг с другом по меньшей мере по краям, предпочтительно посредством пайки. Этого можно достичь прежде всего в том случае, если вдоль краев листов одновременно с измерительным проводником завальцевать тонкую, например, самоклеющуюся паяльную пленку для того, чтобы в дальнейшем на более поздней операции изготовления осуществить пайку. Само собой разумеется, верхний слой можно изготовить также путем фальцевания только одной фольги, таким образом, что остается запаять только другой край.

Если сами листы или листы вместе с другими частично структурированными листами формируются в ячеистую конструкцию, имеющую множество каналов, по которым может протекать жидкость, позже осуществляется запаивание собранных вместе листов по торцам, вследствие чего один лишь этот процесс может осуществить также запаивание двух листов, защищающих измерительный проводник. Однако и здесь также можно улучшить качество и герметичность за счет применения дополнительной одновременно завальцованной паяльной пленки. Как более подробно представлено на чертеже, особенно предпочтительно, если устройство для измерения температуры само по себе или вместе с другими частично структурированными листами формуется в ячеистую конструкцию, которая служит в качестве несущей конструкции для каталитически активного материала. В этом случае датчик температуры измеряет температуру не самого выхлопного газа в двигателе внутреннего сгорания, а непосредственно температуру стенки каталитического конвектора, что повышает достоверность измерения температуры применительно к определению характера функционирования.

Такие ячеистые конструкции окружены трубчатой оболочкой, через которую, естественно, должен проходить измерительный проводник. Согласно изобретению это может осуществляться через отверстие, что является особенно предпочтительным с точки зрения технологии изготовления. При этом верхний и/или нижний слой имеет удлиненную присоединительную пластину, которая вместе с заделанным в нее измерительным проводником может выступать наружу через отверстие, что очень влияет на процесс изготовления.

Следует отметить, что устройство согласно изобретению хотя и пригодно особенно для измерения температуры или нагрева в металлическом ячеистой конструкции, но не ограничивается этими случаями применения. В принципе, такие устройства могут применяться и в других местах.

На фигурах показаны примеры выполнения, которыми изобретение однако не ограничивается, при этом на фиг. 1 показан измерительный проводник в защитной оболочке, завальцованный между двумя гладкими фольгами; фиг. 2 измерительный проводник, завальцованный между двумя гофрированными фольгами; фиг. 3 измерительный проводник в виде пленки, завальцованный между гладкими листами; фиг. 4 стопка листов для изготовления ячеистой конструкции с проложенным в промежутке устройством для измерения температуры; фиг. 5 ячеистая конструкция, полученная из стопки по фиг. 4; фиг. 6 и 7 различные варианты прокладки измерительных проводников между двумя металлическими фольгами; фиг. 8 схематически показано расположение выпуклостей в гофрированном устройстве для измерения температуры согласно изобретению.

На фиг. 1 показан в аксонометрическом изображении с поперечным разрезом гладкий верхний лист 11, гладкий нижний лист 12, каждый из которых имеет выпуклости 13. В полости, образованной выпуклостями 13, расположен измерительный проводник в защитной оболочке, состоящий из металлической трубчатой оболочки 15, изолирующего слоя 16 и измерительного проводника 17. По краям верхний лист 11 и нижний лист 12 герметично соединены друг с другом пайками 14 так, что они полностью защищают измерительный проводник в оболочке 15, 16, 17 от газов, вызывающих коррозию.

На фиг. 2 показан гофрированный верхний лист 21, гофрированный нижний лист 22, каждый из которых также имеет выпуклости 23, образующие полость. В эту полость заделан измерительный проводник 27, окруженный изолирующим слоем 26 от окружающих его листов. И здесь верхний лист 21 и нижний лист 22 герметично соединены по своим краям пайком 24.

На фиг. 3 показан другой вариант, а именно, прокладка измерительной пленки 37 между верхним листом 31. Сравнительно плоские выпуклости 33 образуют плоскую полость 38, в которой расположена измерительная пленка 37, заделанная между двумя изолирующими слоями 36, например, из волокнистого материала. Края точно так же герметизированы паяным соединением 34.

Во всех вариантах, показаны в примерах выполнения, измерительные проводники заделаны в гладкие или структурированные листы, причем также возможно разместить в устройстве два или несколько расположенных на расстоянии друг от друга измерительных проводника.

Как показано на фиг. 4 и 5, гладкие или структурированные фольги с заделанными в них измерительными проводниками без труда можно включить в один цикл изготовления металлических каталитических катализаторов с несущими конструкциями. Такой процесс изготовления, в том числе и для листов различной толщины, уже подробно описан в заявке WO 89/07488 и в упомянутых в ней публикациях, в связи с чем здесь следует лишь сослаться на наличие особенностей, возникающих в связи с температурными датчиками. На фиг. 4 показана стопка чередующихся слоев из гладких листов 2 и гофрированных листов 2, внутри которых расположен верхний слой 41 и нижний слой 42 с размещенными между ними измерительными проводниками 45, 46, 47 в защитной оболочке. В этом выполнении имеется удлиненная присоединительная пластина 48, выступающая сбоку из стопки 40. На этой присоединительной пластине 48 между двумя выпуклостями 43 находится также измерительный проводник 45, 46, 47 в защитной оболочке, который выступает из присоединительной пластины 48 с целью подключения в дальнейшем или для размещения подключающего разъема. Как известно из уровня техники, вся стопка 40 может изгибаться петлей в двух противоположных направлениях вокруг двух фиксированных точек 3 и 4 с образованием трубчатой оболочки 50. Путем закрутки стопки 40 листов в трубчатую оболочку 50 присоединительная пластина 48 может, как показано на фиг. 5, занять положение, при котором она выступает из проема 59, имеющегося в трубчатой оболочке 50. При этом измерительный проводник 45, 46, 47 в защитной оболочке вплоть до выхода из отверстия 59 и кроме того еще на некотором отрезке защищен окружающий его присоединительной пластиной 48, благодаря чему надежно обеспечивается герметичный вывод проводника наружу. Присоединительная пластина 48 может быть расположена, например, в запаянной или заваренной присоединительной трубке с подключающим разъемом, за счет чего образуется очень надежное в работе подключение. Для этой конструкции уже не имеет значение, выполнено ли устройство для измерения датчика из гладких или гофрированных листов, так как это не влияет на процесс изготовления. И в остальном ячеистая конструкция не отличается по своим свойствам и своими каналами 5 для протекающей жидкости от известных конструкций. В частности, при запаивании ячеистой конструкции по торцам верхний слой 41 и нижний слой 42 с соединением 44 герметично защищены от проникновения газа, вызывающего коррозию. Этого нельзя получить ни в одном месте измерительного проводника в защитной оболочке. Естественно, нет необходимости применять измерительный проводник с защитной оболочкой, состоящий из металлической трубчатой оболочки 45, изолирующего слоя 46 и измерительного проводника 47 в описываемом устройстве. Точно так же могут использоваться варианты, показанные на фиг. 2 и 3.

На фиг. 6 схематично показано, что измерительный проводник или его подводка 67 не обязательно должны проходить прямолинейно между верхним листом 61 и нижним листом 62. В принципе, за счет завальцовки можно обеспечить практически любое прохождение. И даже если желательно делать точечные замеры в отдельных местах, можно применять устройство согласно изобретению. Термоэлемент, создающий термическое напряжение, может иметь, например, точечное расположение и подключаться через измерительный проводник 67. При этом, в принципе, также возможно присоединить верхний и нижний лист к месту контакта 68 с помощью измерительного проводника из соответствующего другого металла, вследствие чего возникает термическое напряжение. Аналогичной является конструкция, в которой проводник с сопротивлением в месте 68 контакта соединен с верхним листом 61 или нижним листом 62 в качестве "массы".

Согласно фиг. 7 измерительный проводник 77 может быть проложен, естественно, U-образно между верхним листом 71 и нижним листом 72, благодаря чему его оба конца могут быть выведены в разных местах. Этот и многие другие варианты реализуются с помощью устройств с температурными датчиками согласно изобретению. В частности, могут быть реализованы также варианты, описанные в заявке PCT/EP89/00311, на которые с полным правом можно сослаться, правда с той оговоркой, что можно замерять не температуру газа в ячеистой конструкции, а температуру стенки, что более предпочтительно.

И, наконец, на фиг. 8 еще раз схематически показано в продольном сечении прохождение выпуклостей 83 в случае прилегающих друг к другу гофрированных листов 81 и 82, между которыми располагается не показанный измерительный проводник. Как показано штриховой линией, выпуклости всегда лежат с внутренней стороне гребней, благодаря чему выпуклости не оказывают влияния на высоту h гребней. Выпуклости 83 как бы пересекают боковые стороны гребней и располагаются на внутренних сторонах.

Данное изобретение прежде всего пригодно для встроенных устройств контроля температуры каталитического конвектора и в сочетании с другими системами измерения может применяться для регулировки двигателя с целью снижения выброса выхлопных газов и для контроля за работоспособностью каталитического конвектора. Кроме того, устройство согласно изобретению может применяться также для электрического обогрева, например, ячеистых конструкций, особенно если нагрев должен происходить при более высоких напряжениях и низкой силе тока, например, 5-20 А.

Формула изобретения

1. Корпус-носитель катализатора для устройств отвода выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания, содержащий устройство для измерения температуры и/или нагрева стенок корпуса-носителя катализатора, причем устройство отличается тем, что оно содержит по меньшей мере два листа, а именно верхний лист (11, 21, 31, 41, 61, 71) и нижний лист (12, 22, 32, 42, 62, 72, 82), расположенные с плотным прилеганием друг к другу и состоящие из одинаково структурированных металлических фольг толщиной от 0,02 до 0,1 мм, по меньшей мере одну полость (38) между обоими листами (11, 12, 21, 22, 31, 32, 41, 42, 61, 62, 71, 72, 81, 82), образованную проходящей вдоль листов выпуклостью (13, 23, 33, 43, 83) по меньшей мере на одном из обоих листов (11, 12, 21, 22, 31, 32, 41, 42, 61, 62, 71, 72, 81, 82), по меньшей мере один температурный датчик (15, 16, 17, 27, 37, 45, 46, 67, 77) и/или нагревательный элемент, проходящий в полости (38) или его подводку (67) в полости (38).

2. Корпус-носитель по п. 1, отличающийся тем, что полость (38) выполнена выпуклостями (13, 23, 33, 43, 83) в обоих листах (11, 12, 21, 22, 31, 32, 41, 42, 61, 62, 71, 72, 81, 82).

3. Корпус-носитель по п. 1 или 2, отличающийся тем, что листы (21, 22, 81, 82) имеют гребни с определенной высотой h, а датчик (27) для измерения температур, соответственно нагревательный элемент проходит в основном поперечно к гребням.

4. Корпус-носитель по п. 3, отличающийся тем, что выпуклости (83) выполнены так, что они не изменяют высоту h гребней, а всегда располагаются с внутренних сторон гребней.

5. Корпус-носитель по одному из пп. 1 4, отличающийся тем, что он изготовлен путем завальцовки датчика (17, 27, 37, 47, 67, 77) температуры, соответственно нагревательного элемента между двумя металлическими фольгами.

6. Корпус-носитель по одному из пп. 1 5, отличающийся тем, что датчик температуры, соответственно нагревательный элемент является плоскостным (37) или линейным (17, 27, 47, 67, 77) проводником, прежде всего проводом или пленкой с сопротивлением.

7. Корпус-носитель по п. 6, отличающийся тем, что датчик (67), соответственно нагревательный проводник электрически соединен своим концом с местом (68) контакта верхнего и/или нижнего листа (61, 62).

8. Корпус-носитель по п. 6, отличающийся тем, что датчик (15, 16, 17, 45, 46, 47) является измерительным проводником в защитной оболочке.

9. Корпус-носитель по одному из пп. 1 5, отличающийся тем, что датчик является точечным измерительным датчиком (68), например термоэлементом, подводка (67) которого проходит между листами (61, 62).

10. Корпус-носитель по одному из пп. 1 9, отличающийся тем, что оба листа (11, 12, 21, 22, 31, 32, 41, 42, 61, 62, 71, 72, 81, 82) герметично соединены предпочтительно пайкой (14, 24, 34, 44) друг с другом по меньшей мере по своим краям.

11. Корпус-носитель по одному из пп. 1 10, отличающийся тем, что датчик (27, 37, 77) или нагревательный элемент, соответственно его подводка (67) электрически изолированы посредством изолирующих слоев (23, 36) от верхнего листа (21, 31, 61, 71) и нижнего листа (22, 32, 62, 72).

12. Корпус-носитель по одному из пп. 1 11, отличающийся тем, что листы (11, 12, 21, 22, 31, 32, 41, 42, 61, 62, 71, 72, 81, 82) выполнены из жаропрочной и коррозионностойкой стали, прежде всего сплава на основе железа, хрома, алюминия.

13. Корпус-носитель по одному из пп. 1 12, отличающийся тем, что корпус-носитель катализатора окружен трубчатой оболочкой (50), имеющей по меньшей мере одно отверстие (59), через которое выводится наружу датчик (17, 27, 37, 47, 67, 77) температуры или нагревательный проводник, соответственно его подводка.

14. Корпус-носитель по п. 13, отличающийся тем, что верхний лист (41) и/или нижний лист (42) имеют удлиненную присоединительную пластину (48), которая вместе с заделанным в нее датчиком (47) температуры или нагревательным проводником, соответственно его подводкой выведены через отверстие (49) наружу.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8