專利名稱：：絕緣雙壁排氣系統(tǒng)部件及其制造方法絕緣雙壁排氣系統(tǒng)部件及其制造方法
背景技術：
：用于機動車輛的催化轉(zhuǎn)化器通常在高溫下操作最有效。發(fā)動機一啟動，催化轉(zhuǎn)化器溫度就需要充分地升高，以便它正確地工作。這一過程通常稱為"起燃"。"起燃"通常定義為催化轉(zhuǎn)化器達到50%效率時的溫度。取決于污染物的類型，這通常在約200至30(TC的范圍內(nèi)發(fā)生。一種減少起燃時間的方法是提高到達催化轉(zhuǎn)化器的排氣的溫度。為了致力于解決該問題和/或保護靈敏的車輛零部件(例如電子器件、塑料零件等)免受由汽車排氣帶來的熱量的影響，已開發(fā)出多種雙壁排氣系統(tǒng)部件(例如排氣歧管、用于連接到催化轉(zhuǎn)化器的端錐體、排氣管或管)。這樣的部件一般具有在外管內(nèi)的內(nèi)管。在內(nèi)管和外管之間形成的環(huán)形間隙可以留空或用例如陶瓷纖維墊的絕緣材料填充。近來，存在一種將催化轉(zhuǎn)化器用于柴油發(fā)動機的趨勢，柴油發(fā)動機產(chǎn)生的排氣通常比汽油發(fā)動機產(chǎn)生的排氣溫度更低(例如200至300°C)。因此，在柴油發(fā)動機的情況下，維持催化轉(zhuǎn)化器上游的排氣溫度是期望的。例如，如果部件在雙壁排氣系統(tǒng)中有彎頭和/或如果在內(nèi)管和外管之間形成的環(huán)形間隙是不均勻的，有效絕緣雙壁排氣系統(tǒng)部件可能尤其具有挑戰(zhàn)性。這通常使得在兩個管之間難以安裝片狀形式的任何東西。
發(fā)明內(nèi)容在一個方面，本發(fā)明提供絕緣雙壁排氣系統(tǒng)部件，該絕緣雙壁排氣系統(tǒng)部件包括內(nèi)管，圍繞內(nèi)管的外管，連接內(nèi)管和外管并且與內(nèi)管和外管一起限定封閉腔體的第一和第二環(huán)形密封件，填充在腔體內(nèi)部的中空陶瓷微球，中空陶瓷微球具有如下粒度分布，其中，基于總體積，至少90%的中空陶瓷微球具有小于150微米的尺寸。在一些實施例中，可以設置在催化轉(zhuǎn)化器的上游的絕緣雙壁排氣系統(tǒng)部件連接到汽油或柴油發(fā)動機，使得來自于發(fā)動機的排氣被引導通過內(nèi)管。在一些實施例中，絕緣雙壁排氣系統(tǒng)部件選自由下列部件組成的組絕緣雙壁排氣管、催化轉(zhuǎn)化器組件的絕緣雙壁端錐、催化轉(zhuǎn)化器組件的絕緣雙壁分隔圈、絕緣雙壁消聲器、以及絕緣雙壁尾管。在另一方面，本發(fā)明提供制造絕緣雙壁排氣系統(tǒng)部件的方法，該方法包括提供內(nèi)管；至少部分地將所述內(nèi)管限制在外管內(nèi)；連接內(nèi)管和外管以形成具有至少一個開口的可填充腔體；使用中空陶瓷微球至少部分地填充可填充腔體，中空陶瓷微球具有如下粒度分布，其中，基于總體積，至少90%的中空陶瓷微球具有小于150微米的尺寸；以及密封所述至少一個開口并封閉中空陶瓷微球。在一些實施例中，內(nèi)管和外管通過至少一個密封件連接，其中內(nèi)管、外管、所述的至少一個密封件以及開口形成可填充腔體。在一些實施例中，基于總體積，至少90%的中空陶瓷微球具有小于140微米、130微米、120微米或110微米的尺寸。在一些實施例中，基于總體積，中空陶瓷微球具有0.7至2.2克/毫升范圍內(nèi)的真密度，或甚至2.0至2.1克/毫升范圍內(nèi)的真密度。在一些實施例中，內(nèi)管和外管中的至少一個包括不銹鋼、鋼或鋼a全n五o本發(fā)明向絕緣雙壁排氣系統(tǒng)部件提供隔熱和隔音特性，并且可以容易地填充到內(nèi)管和外管之間的環(huán)形間隙內(nèi)。此外，在多個實施例中，使用市售的和經(jīng)濟的材料可獲得這些有益效果。如本文所用，術語"管"是指可以為圓柱形的、漸縮的、平坦的和/或彎曲的并且可以具有沿其長度變化的橫截面形狀和/或尺寸的管；例如，術語管包括用于催化轉(zhuǎn)化器的典型端錐體；"排氣管"是指在排氣歧管和催化轉(zhuǎn)化器或消聲器之間的管；"排氣系統(tǒng)部件"是指設計以導向來自噴焰器或發(fā)動機的排氣的部件；并且"尾管"是指消聲器下游并且直接向大氣排氣的管。圖1是示例性的機動車輛排氣系統(tǒng)的示意圖2是示例性的包含中空陶瓷微球的雙壁絕緣排氣管的縱向剖面圖；并且圖3是示例性的具有雙壁絕緣端錐體(包含中空陶瓷微球)的催化轉(zhuǎn)化器組件的縱向剖面圖。這些附圖都是理想化的，僅僅旨在示例性而非限制性地展示本發(fā)明。具體實施例方式示例性的機動車輛排氣系統(tǒng)在圖1中示出。在正常的操作下，發(fā)動機12將排氣11引進到排氣歧管14內(nèi)。排氣11通過排氣系統(tǒng)10，并從尾管19噴出。排氣歧管14連接到第一排氣管15。催化轉(zhuǎn)化器組件17設置在第一排氣管15和第二排氣管16之間。第二排氣管16連接到消聲器18，消聲器18連接到尾管19。根據(jù)本發(fā)明的一個示例性的絕緣雙壁排氣系統(tǒng)部件在圖2中示出?，F(xiàn)在參見圖2，絕緣雙壁排氣管20包括內(nèi)管22，圍繞內(nèi)管22的外管24，連接內(nèi)管22和外管24并且與內(nèi)管22和外管24—起限定封閉腔體29的第一環(huán)形密封件23和第二環(huán)形密封件25。中空陶瓷微球26設置在封閉腔體29內(nèi)。中空陶瓷微球26具有粒度分布，其中至少90%的中空陶瓷微球具有小于150微米的尺寸。內(nèi)管22圍繞內(nèi)部空間21，如果排氣管用于機動車輛的排氣系統(tǒng)中，排氣流過上述內(nèi)部空間21。圖3示出示例性的催化轉(zhuǎn)化器組件30，根據(jù)本發(fā)明，催化轉(zhuǎn)化器組件30包括絕緣雙壁端錐和絕緣雙壁分隔圈。入口端錐體34具有入口35并且在第一裝配墊42處端接，第一裝配墊42容納第一催化元件38。出口端錐體36具有出口37并且在第二裝配墊43處端接，第二裝配墊43容納第二催化元件39。絕緣雙壁分隔圈40設置在第一裝配墊42和第二裝配墊43之間。也通常被稱為罐或殼體的外殼32可以由本領域中用于該目的的已知的任何合適的材料制成，通常為金屬；例如，不銹鋼。第一催化元件38和第二催化元件39由蜂窩結(jié)構(gòu)的整體形成，通常是陶瓷或金屬。圍繞催化元件38、39的是第一裝配墊42和第二裝配墊43，第一裝配墊42和第二裝配墊43—般由膨脹型材料制成。當熱的排氣流過污染控制裝置時外殼32、33與催化元件38、39之間的間隙變寬時，第一裝配墊42和第二裝配墊43應當分別保持對催化元件38、39的足夠的支撐力。入口端錐體34具有第一外管46和第一內(nèi)管48。出口端錐體36具有第二外管56和第二內(nèi)管58。入口端錐體34具有限定封閉第一腔體55的第一端密封件51和第二端密封件52。出口端錐體36具有限定封閉第一腔體65的第三端密封件61和第四端密封件62。分隔圈40分別具有第三內(nèi)管53和外管54以及限定第三封閉腔體59的第五端密封件57和第六端密封件67。封閉腔體55、65、59用中空陶瓷微球60填充。內(nèi)管和外管可以由能夠經(jīng)受與來自于內(nèi)燃機的排氣噴出有關的高溫的任何材料制成。通常，內(nèi)管和外管包括金屬，例如鋼、不銹鋼或鋼合金(例如，如以商品名"INCONEL"從西弗吉尼亞州亨廷頓的特禾中金屬股份公司(SpecialMetalsCorp.，Huntington,WestVirginia)得到)。第一密封件和第二密封件可以具有起到在內(nèi)管和外管之間形成封閉腔體作用的任何形式。密封件實例包括凸緣、頸圈、焊縫以及巻邊，可選地與一種或多種焊縫或密封劑、玻璃和陶瓷組合。第一密封件和第二密封件可以由能夠經(jīng)受與來自于內(nèi)燃機的排氣噴出有關的高溫的任何材料制成。密封件應當基本上不含可以使中空陶瓷微球從封閉腔體逸出的洞。對于密封件適合的材料的實例包括陶瓷和陶瓷墊(例如，容納催化轉(zhuǎn)化器整體的陶瓷墊)、玻璃以及金屬。在一些實施例中，密封件可以包括金屬凸緣，例如從內(nèi)管或外管延伸出的金屬凸緣。根據(jù)本發(fā)明的絕緣雙壁排氣系統(tǒng)部件可以加工成多種排氣系統(tǒng)部件。實例包括絕緣雙壁排氣管、絕緣雙壁端錐和催化轉(zhuǎn)化器組件的分隔圈、絕緣雙壁圍住的整個催化轉(zhuǎn)化器組件、絕緣雙壁排氣歧管以及絕緣雙壁尾管。在本發(fā)明實踐中使用的中空陶瓷微球通常享有較低密度和熱導率的有益效果。此外，它們通常具有較高程度的熱穩(wěn)定性，使得它們在車輛排氣系統(tǒng)的所有部件(包括汽油發(fā)動機的那些)中適于用作絕緣。根據(jù)本發(fā)明的絕緣雙壁排氣系統(tǒng)部件可以例如與通用發(fā)動機、或機動車輛(例如汽車、卡車或摩托車)裝配的發(fā)動機結(jié)合使用。一個或多個絕緣雙壁排氣系統(tǒng)部件可以在例如機動車輛的排氣系統(tǒng)中使用和結(jié)合。中空陶瓷微球在形狀上通?；旧蠟榍蛐蔚?，具有置于陶瓷外殼內(nèi)部的空核。種類繁多的中空陶瓷微球為市售的或換句話講可得自本領域已知的方法。可用的中空陶瓷微球具有如下粒度分布，其中，基于總體積，至少90%的中空陶瓷微球具有小于150微米、120微米、110微米、100微米、90微米或甚至更小的尺寸。在一些實施例中，基于總體積，大于50%的中空陶瓷微球可以具有大于30微米、40微米、50微米、60微米、80微米、卯微米或甚至大于IOO微米的尺寸。粒度分級例如可以通過本領域熟知的方法(例如篩分法或風篩)實現(xiàn)。通常，中空陶瓷微球的真密度(也就是說，沒有充填效率影響的密度，該密度例如可以通過空氣測比重術或阿基米德方法來測定)在0.5至3.0克/毫升的范圍內(nèi)，更典型地在0.7至02.2克/毫升范圍內(nèi)，并且甚至更典型地在2.0至2.1克/毫升的范圍內(nèi)，盡管還可以使用這些范圍外的真密度。市售的中空陶瓷微球的實例包括以商品名"ZEEOSPHERES"(例如，按等級G-200、G-400、G-600、G-800或G-850)和"Z-LIGHT"(例如，按等級G-3125、G-3150或G-3500)從明尼蘇達州圣保羅市的3M公司(3MCompany,St.Paul，Minnesota.)獲得的那些。中空陶瓷微球的混合物還可以用于例如產(chǎn)生具有高充填效率的雙峰粒度分布。如果多個絕緣雙壁排氣系統(tǒng)部件用在排氣系統(tǒng)中，每一個絕緣雙壁排氣系統(tǒng)部件可以采用具有不同尺寸和/或物理特性的中空陶瓷微球。不希望被理論束縛，據(jù)信與較大的絕緣顆粒相比，本發(fā)明的非常小尺寸的中空陶瓷微球降低了困在雙壁腔體內(nèi)的空氣對流，從而降低了在內(nèi)管和外管之間的傳熱率。除了使用根據(jù)本發(fā)明的中空陶瓷微球代替?zhèn)鹘y(tǒng)的絕緣材料外，根據(jù)本發(fā)明的絕緣雙壁排氣系統(tǒng)部件例如可以通過本領域中制造絕緣雙壁排氣系統(tǒng)部件的已知技術制造。例如，在第一步中，內(nèi)管可以至少部分地設置在外管內(nèi)。在第二步中，可填充腔體通過形成第一密封件在內(nèi)管和外管之間形成(例如，如上文所描述的)。在這些第一或第二步中的任一步之后，內(nèi)管或外管之一或兩者可以彎曲或換句話講變形為所需的形狀。中空陶瓷微球引入到可填充腔體內(nèi)(例如，通過注入或吹入)，在填充期間可選地用振動方式以有助于獲得所期望的(例如，通常是高的)填充密度。一旦可填充腔體填充到所需的程度，第二密封件就產(chǎn)生在內(nèi)管和外管之間，從而起到在由內(nèi)管和外管以及第一密封件和第二密封件限定的封閉腔體中禁閉中空陶瓷微球的作用。在另一個方法中，在中空陶瓷微球引入之前，兩個密封件可以在適當?shù)奈恢谩＿@可以通過通常在外管中鉆適合的孔，在填充完內(nèi)管和外管以及密封件之間的腔體之后然后密封孔來實現(xiàn)。通過以下的非限制性實例，進一步說明了本發(fā)明的目的以及優(yōu)點，但在這些實例中所列舉的具體材料及其數(shù)量以及其它的條件和細節(jié)不應被解釋為不當?shù)叵拗屏吮景l(fā)明。實例構(gòu)造30英寸(91cm)長度的不銹鋼雙壁管。內(nèi)管具有21/2英寸(63.5mm)的外徑(OD)禾口23/8"英寸(60.3mm)的內(nèi)徑(ID)。外管具有3.0英寸(76.2mm)的外徑和27/8英寸(73.0mm)的內(nèi)徑。這導致4.75mm的環(huán)形間隙。管在一端連接到由不銹鋼制成的環(huán)形密封件，該環(huán)形密封件焊接在適當?shù)奈恢?。管的另一端具有環(huán)形不銹鋼密封件，該環(huán)形不銹鋼密封件是可移除的并且可以使用四個機用螺釘扣緊到管上。環(huán)形間隙在內(nèi)管周圍是均勻的。管裝備有熱電偶。各熱電偶在離管的入口端(入口端為具有焊接密封件的一端)18英寸(45.7cm)的位置。1/8英寸(3.18mm)的鎧裝熱電偶位于管中心線處以測量氣體溫度。第二個熱電偶焊接到內(nèi)管的外徑上。第三個熱電偶焊接到外管的外徑上。所有的熱電偶位于離管的入口端18英寸(46cm)的位置。首先測試在適當?shù)奈恢镁哂锌梢瞥沫h(huán)形密封件的管，但是雙壁管僅含有空氣。將其連接至天然氣噴焰器。噴焰器在40(TC至900'C以IO(TC遞增的氣體溫度下運行，直至氣體溫度穩(wěn)定并且管外徑達到平衡。氣體流速為190標準立方英尺/分鐘(SCFM)。一個標準立方英尺是在14.696磅/平方英寸(psi)(101.33kPa)的壓力下在一個立方英尺(28升)的氣體中包含的為60下(15.5°C)的氣體的量。在冷卻至室溫后，可移除的密封件被移除，并且以商品名"G-850ZEOSPHERES"陶瓷微球得自3M公司的中空陶瓷微球(具有真密度=2.1克/毫升；熱導率=2瓦特/(米-開爾文度)(W/mK);粒度范圍(10體積％，mm)=0.012;粒度范圍(50體積％，mm)=0.04;粒度范圍(90體積％，mm)=0.1)注入雙壁管的環(huán)形空間。當填充管時，在桌子上輕敲管幾次以緊湊中空陶瓷微球，直至管中完全充滿中空陶瓷微球。然后，在適當?shù)奈恢寐菁y連接可移除的密封件，并且填充中空陶瓷微球的管子以與空管子測試方法相同的方法測試。除了使用以商品名"G-3150Z-LIGHTSPHERES"陶瓷微球從3M公司得到的中空陶瓷微球(具有真密度=0.7克廣升；熱導率0.2W/mK;粒度范圍(10體積％，mm)=0.055;粒度范圍(50體積％，mm)=0.105;粒度范圍(90體積％，mm)=0.135)夕卜，該過程還被重復。測試結(jié)果在表1(下面)中報告，其中術語"NA"意思是"不適用"。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>在不偏離本發(fā)明的范圍和精神的情況下，本領域內(nèi)的技術人員可以對本發(fā)明作出各種修改和更改，并且應該理解的是，不應該將本發(fā)明不適當?shù)叵拗朴诒疚闹薪o出的示例性實施例。權利要求1.一種絕緣雙壁排氣系統(tǒng)部件，包括內(nèi)管、圍繞所述內(nèi)管的外管、連接所述內(nèi)管和所述外管并且與所述內(nèi)管和所述外管一起限定封閉腔體的第一和第二環(huán)形密封件、填充在所述腔體內(nèi)部的中空陶瓷微球，所述中空陶瓷微球具有如下粒度分布，其中，基于總體積，至少90％的所述中空陶瓷微球具有小于150微米的尺寸。2.根據(jù)權利要求l所述的絕緣雙壁排氣系統(tǒng)部件，其中所述內(nèi)管包括不銹鋼、鋼或鋼合金。3.根據(jù)權利要求l所述的絕緣雙壁排氣系統(tǒng)部件，其中所述第一和第二密封件包括金屬凸緣。4.根據(jù)權利要求l所述的絕緣雙壁排氣系統(tǒng)部件，其中，基于總體積，至少90%的所述中空陶瓷微球具有小于IIO微米的尺寸。5.根據(jù)權利要求l所述的絕緣雙壁排氣系統(tǒng)部件，其中所述中空陶瓷微球具有0.7至2.2克/毫升范圍內(nèi)的真密度。6.根據(jù)權利要求l所述的絕緣雙壁排氣系統(tǒng)部件，其中所述中空陶瓷微球具有2.0至2.1克/毫升范圍內(nèi)的真密度。7.根據(jù)權利要求l所述的絕緣雙壁排氣系統(tǒng)部件，其中所述絕緣雙壁排氣系統(tǒng)部件選自由下列部件組成的組絕緣雙壁排氣管、催化轉(zhuǎn)化器組件的絕緣雙壁端錐、催化轉(zhuǎn)化器組件的絕緣雙壁分隔圈、絕緣雙壁消聲器、以及絕緣雙壁尾管。8.根據(jù)權利要求1所述的絕緣雙壁排氣系統(tǒng)部件，所述絕緣雙壁排氣系統(tǒng)部件連接到發(fā)動機，以使得來自所述發(fā)動機的排氣被引導通過所述內(nèi)管。9.根據(jù)權利要求8所述的絕緣雙壁排氣系統(tǒng)部件，其中所述排氣系統(tǒng)部件設置在催化轉(zhuǎn)化器的上游。10.根據(jù)權利要求8所述的絕緣雙壁排氣系統(tǒng)部件，其中所述部件包括絕緣雙壁排氣管。11.根據(jù)權利要求8所述的絕緣雙壁排氣系統(tǒng)部件，其中所述部件包括催化轉(zhuǎn)化器組件的絕緣雙壁端錐。12.根據(jù)權利要求8所述的絕緣雙壁排氣系統(tǒng)部件，其中所述部件包括絕緣雙壁尾管。13.—種制造絕緣雙壁排氣系統(tǒng)部件的方法，所述方法包括提供內(nèi)管；至少部分地將所述內(nèi)管限制在外管內(nèi)；連接所述內(nèi)管和外管以形成具有至少一個開口的可填充腔體；用中空陶瓷微球至少部分地填充所述可填充腔體，所述中空陶瓷微球具有如下粒度分布，其中，基于總體積，至少90%的所述中空陶瓷微球具有小于150微米的尺寸；以及密封所述至少一個開口并封閉所述中空陶瓷微球。14.根據(jù)權利要求B所述的制造絕緣雙壁排氣系統(tǒng)部件的方法，其中所述內(nèi)管和所述外管通過至少一個密封件連接，并且其中所述內(nèi)管、外管、所述至少一個密封件以及所述開口形成所述可填充腔體。15.根據(jù)權利要求14所述的制造絕緣雙壁排氣系統(tǒng)部件的方法，其中所述至少一個密封件包括金屬凸緣。16.根據(jù)權利要求13所述的制造絕緣雙壁排氣系統(tǒng)部件的方法，其中所述內(nèi)管包括不銹鋼、鋼或鋼合金。17.根據(jù)權利要求13所述的制造絕緣雙壁排氣系統(tǒng)部件的方法，其中，基于總體積，至少90%的所述中空陶瓷微球具有小于110微米的尺寸。18.根據(jù)權利要求13所述的制造絕緣雙壁排氣系統(tǒng)部件的方法，其中所述中空陶瓷微球具有0.7至2.2克/毫升范圍內(nèi)的真密度。19.根據(jù)權利要求13所述的制造絕緣雙壁排氣系統(tǒng)部件的方法，其中所述中空陶瓷微球具有2.0至2.1克/毫升范圍內(nèi)的真密度。20.根據(jù)權利要求13所述的制造絕緣雙壁排氣系統(tǒng)部件的方法，其中所述絕緣雙壁排氣系統(tǒng)部件選自由下列部件組成的組絕緣雙壁排氣管、催化轉(zhuǎn)化器組件的絕緣雙壁端錐、催化轉(zhuǎn)化器組件的絕緣雙壁分隔圈、絕緣雙壁消聲器、以及絕緣雙壁尾管。21.在雙壁排氣系統(tǒng)部件中作為絕緣體的中空陶瓷微球的用途，其中所述中空陶瓷微球具有如下粒度分布，其中，基于總體積，至少90%的所述中空陶瓷微球具有小于150微米的尺寸。全文摘要本發(fā)明涉及一種雙壁排氣系統(tǒng)部件及其制造方法，所述雙壁排氣系統(tǒng)部件具有設置在內(nèi)管和外管之間的中空陶瓷微球。所述中空陶瓷微球具有如下粒度分布，其中，基于總體積，至少90％的所述中空陶瓷微球具有小于150微米的尺寸。文檔編號F01N3/28GK101473116SQ200780022388公開日2009年7月1日申請日期2007年6月1日優(yōu)先權日2006年6月15日發(fā)明者理查德·P·梅里申請人:3M創(chuàng)新有限公司