专利名称：：绝缘双壁排气系统部件及其制造方法绝缘双壁排气系统部件及其制造方法
背景技术：
：用于机动车辆的催化转化器通常在高温下操作最有效。发动机一启动，催化转化器温度就需要充分地升高，以便它正确地工作。这一过程通常称为"起燃"。"起燃"通常定义为催化转化器达到50%效率时的温度。取决于污染物的类型，这通常在约200至30(TC的范围内发生。一种减少起燃时间的方法是提高到达催化转化器的排气的温度。为了致力于解决该问题和/或保护灵敏的车辆零部件(例如电子器件、塑料零件等)免受由汽车排气带来的热量的影响，已开发出多种双壁排气系统部件(例如排气歧管、用于连接到催化转化器的端锥体、排气管或管)。这样的部件一般具有在外管内的内管。在内管和外管之间形成的环形间隙可以留空或用例如陶瓷纤维垫的绝缘材料填充。近来，存在一种将催化转化器用于柴油发动机的趋势，柴油发动机产生的排气通常比汽油发动机产生的排气温度更低(例如200至300°C)。因此，在柴油发动机的情况下，维持催化转化器上游的排气温度是期望的。例如，如果部件在双壁排气系统中有弯头和/或如果在内管和外管之间形成的环形间隙是不均匀的，有效绝缘双壁排气系统部件可能尤其具有挑战性。这通常使得在两个管之间难以安装片状形式的任何东西。
发明内容在一个方面，本发明提供绝缘双壁排气系统部件，该绝缘双壁排气系统部件包括内管，围绕内管的外管，连接内管和外管并且与内管和外管一起限定封闭腔体的第一和第二环形密封件，填充在腔体内部的中空陶瓷微球，中空陶瓷微球具有如下粒度分布，其中，基于总体积，至少90%的中空陶瓷微球具有小于150微米的尺寸。在一些实施例中，可以设置在催化转化器的上游的绝缘双壁排气系统部件连接到汽油或柴油发动机，使得来自于发动机的排气被引导通过内管。在一些实施例中，绝缘双壁排气系统部件选自由下列部件组成的组绝缘双壁排气管、催化转化器组件的绝缘双壁端锥、催化转化器组件的绝缘双壁分隔圈、绝缘双壁消声器、以及绝缘双壁尾管。在另一方面，本发明提供制造绝缘双壁排气系统部件的方法，该方法包括提供内管；至少部分地将所述内管限制在外管内；连接内管和外管以形成具有至少一个开口的可填充腔体；使用中空陶瓷微球至少部分地填充可填充腔体，中空陶瓷微球具有如下粒度分布，其中，基于总体积，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个开口并封闭中空陶瓷微球。在一些实施例中，内管和外管通过至少一个密封件连接，其中内管、外管、所述的至少一个密封件以及开口形成可填充腔体。在一些实施例中，基于总体积，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。在一些实施例中，基于总体积，中空陶瓷微球具有0.7至2.2克/毫升范围内的真密度，或甚至2.0至2.1克/毫升范围内的真密度。在一些实施例中，内管和外管中的至少一个包括不锈钢、钢或钢a全n五o本发明向绝缘双壁排气系统部件提供隔热和隔音特性，并且可以容易地填充到内管和外管之间的环形间隙内。此外，在多个实施例中，使用市售的和经济的材料可获得这些有益效果。如本文所用，术语"管"是指可以为圆柱形的、渐縮的、平坦的和/或弯曲的并且可以具有沿其长度变化的横截面形状和/或尺寸的管；例如，术语管包括用于催化转化器的典型端锥体；"排气管"是指在排气歧管和催化转化器或消声器之间的管；"排气系统部件"是指设计以导向来自喷焰器或发动机的排气的部件；并且"尾管"是指消声器下游并且直接向大气排气的管。图1是示例性的机动车辆排气系统的示意图2是示例性的包含中空陶瓷微球的双壁绝缘排气管的纵向剖面图；并且图3是示例性的具有双壁绝缘端锥体(包含中空陶瓷微球)的催化转化器组件的纵向剖面图。这些附图都是理想化的，仅仅旨在示例性而非限制性地展示本发明。具体实施例方式示例性的机动车辆排气系统在图1中示出。在正常的操作下，发动机12将排气11引进到排气歧管14内。排气11通过排气系统10，并从尾管19喷出。排气歧管14连接到第一排气管15。催化转化器组件17设置在第一排气管15和第二排气管16之间。第二排气管16连接到消声器18，消声器18连接到尾管19。根据本发明的一个示例性的绝缘双壁排气系统部件在图2中示出。现在参见图2，绝缘双壁排气管20包括内管22，围绕内管22的外管24，连接内管22和外管24并且与内管22和外管24—起限定封闭腔体29的第一环形密封件23和第二环形密封件25。中空陶瓷微球26设置在封闭腔体29内。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。内管22围绕内部空间21，如果排气管用于机动车辆的排气系统中，排气流过上述内部空间21。图3示出示例性的催化转化器组件30，根据本发明，催化转化器组件30包括绝缘双壁端锥和绝缘双壁分隔圈。入口端锥体34具有入口35并且在第一装配垫42处端接，第一装配垫42容纳第一催化元件38。出口端锥体36具有出口37并且在第二装配垫43处端接，第二装配垫43容纳第二催化元件39。绝缘双壁分隔圈40设置在第一装配垫42和第二装配垫43之间。也通常被称为罐或壳体的外壳32可以由本领域中用于该目的的已知的任何合适的材料制成，通常为金属；例如，不锈钢。第一催化元件38和第二催化元件39由蜂窝结构的整体形成，通常是陶瓷或金属。围绕催化元件38、39的是第一装配垫42和第二装配垫43，第一装配垫42和第二装配垫43—般由膨胀型材料制成。当热的排气流过污染控制装置时外壳32、33与催化元件38、39之间的间隙变宽时，第一装配垫42和第二装配垫43应当分别保持对催化元件38、39的足够的支撑力。入口端锥体34具有第一外管46和第一内管48。出口端锥体36具有第二外管56和第二内管58。入口端锥体34具有限定封闭第一腔体55的第一端密封件51和第二端密封件52。出口端锥体36具有限定封闭第一腔体65的第三端密封件61和第四端密封件62。分隔圈40分别具有第三内管53和外管54以及限定第三封闭腔体59的第五端密封件57和第六端密封件67。封闭腔体55、65、59用中空陶瓷微球60填充。内管和外管可以由能够经受与来自于内燃机的排气喷出有关的高温的任何材料制成。通常，内管和外管包括金属，例如钢、不锈钢或钢合金(例如，如以商品名"INCONEL"从西弗吉尼亚州亨廷顿的特禾中金属股份公司(SpecialMetalsCorp.，Huntington,WestVirginia)得到)。第一密封件和第二密封件可以具有起到在内管和外管之间形成封闭腔体作用的任何形式。密封件实例包括凸缘、颈圈、焊缝以及巻边，可选地与一种或多种焊缝或密封剂、玻璃和陶瓷组合。第一密封件和第二密封件可以由能够经受与来自于内燃机的排气喷出有关的高温的任何材料制成。密封件应当基本上不含可以使中空陶瓷微球从封闭腔体逸出的洞。对于密封件适合的材料的实例包括陶瓷和陶瓷垫(例如，容纳催化转化器整体的陶瓷垫)、玻璃以及金属。在一些实施例中，密封件可以包括金属凸缘，例如从内管或外管延伸出的金属凸缘。根据本发明的绝缘双壁排气系统部件可以加工成多种排气系统部件。实例包括绝缘双壁排气管、绝缘双壁端锥和催化转化器组件的分隔圈、绝缘双壁围住的整个催化转化器组件、绝缘双壁排气歧管以及绝缘双壁尾管。在本发明实践中使用的中空陶瓷微球通常享有较低密度和热导率的有益效果。此外，它们通常具有较高程度的热稳定性，使得它们在车辆排气系统的所有部件(包括汽油发动机的那些)中适于用作绝缘。根据本发明的绝缘双壁排气系统部件可以例如与通用发动机、或机动车辆(例如汽车、卡车或摩托车)装配的发动机结合使用。一个或多个绝缘双壁排气系统部件可以在例如机动车辆的排气系统中使用和结合。中空陶瓷微球在形状上通常基本上为球形的，具有置于陶瓷外壳内部的空核。种类繁多的中空陶瓷微球为市售的或换句话讲可得自本领域已知的方法。可用的中空陶瓷微球具有如下粒度分布，其中，基于总体积，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。在一些实施例中，基于总体积，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。粒度分级例如可以通过本领域熟知的方法(例如筛分法或风筛)实现。通常，中空陶瓷微球的真密度(也就是说，没有充填效率影响的密度，该密度例如可以通过空气测比重术或阿基米德方法来测定)在0.5至3.0克/毫升的范围内，更典型地在0.7至02.2克/毫升范围内，并且甚至更典型地在2.0至2.1克/毫升的范围内，尽管还可以使用这些范围外的真密度。市售的中空陶瓷微球的实例包括以商品名"ZEEOSPHERES"(例如，按等级G-200、G-400、G-600、G-800或G-850)和"Z-LIGHT"(例如，按等级G-3125、G-3150或G-3500)从明尼苏达州圣保罗市的3M公司(3MCompany,St.Paul，Minnesota.)获得的那些。中空陶瓷微球的混合物还可以用于例如产生具有高充填效率的双峰粒度分布。如果多个绝缘双壁排气系统部件用在排气系统中，每一个绝缘双壁排气系统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。不希望被理论束缚，据信与较大的绝缘颗粒相比，本发明的非常小尺寸的中空陶瓷微球降低了困在双壁腔体内的空气对流，从而降低了在内管和外管之间的传热率。除了使用根据本发明的中空陶瓷微球代替传统的绝缘材料外，根据本发明的绝缘双壁排气系统部件例如可以通过本领域中制造绝缘双壁排气系统部件的已知技术制造。例如，在第一步中，内管可以至少部分地设置在外管内。在第二步中，可填充腔体通过形成第一密封件在内管和外管之间形成(例如，如上文所描述的)。在这些第一或第二步中的任一步之后，内管或外管之一或两者可以弯曲或换句话讲变形为所需的形状。中空陶瓷微球引入到可填充腔体内(例如，通过注入或吹入)，在填充期间可选地用振动方式以有助于获得所期望的(例如，通常是高的)填充密度。一旦可填充腔体填充到所需的程度，第二密封件就产生在内管和外管之间，从而起到在由内管和外管以及第一密封件和第二密封件限定的封闭腔体中禁闭中空陶瓷微球的作用。在另一个方法中，在中空陶瓷微球引入之前，两个密封件可以在适当的位置。这可以通过通常在外管中钻适合的孔，在填充完内管和外管以及密封件之间的腔体之后然后密封孔来实现。通过以下的非限制性实例，进一步说明了本发明的目的以及优点，但在这些实例中所列举的具体材料及其数量以及其它的条件和细节不应被解释为不当地限制了本发明。实例构造30英寸(91cm)长度的不锈钢双壁管。内管具有21/2英寸(63.5mm)的外径(OD)禾口23/8"英寸(60.3mm)的内径(ID)。外管具有3.0英寸(76.2mm)的外径和27/8英寸(73.0mm)的内径。这导致4.75mm的环形间隙。管在一端连接到由不锈钢制成的环形密封件，该环形密封件焊接在适当的位置。管的另一端具有环形不锈钢密封件，该环形不锈钢密封件是可移除的并且可以使用四个机用螺钉扣紧到管上。环形间隙在内管周围是均匀的。管装备有热电偶。各热电偶在离管的入口端(入口端为具有焊接密封件的一端)18英寸(45.7cm)的位置。1/8英寸(3.18mm)的铠装热电偶位于管中心线处以测量气体温度。第二个热电偶焊接到内管的外径上。第三个热电偶焊接到外管的外径上。所有的热电偶位于离管的入口端18英寸(46cm)的位置。首先测试在适当的位置具有可移除的环形密封件的管，但是双壁管仅含有空气。将其连接至天然气喷焰器。喷焰器在40(TC至900'C以IO(TC递增的气体温度下运行，直至气体温度稳定并且管外径达到平衡。气体流速为190标准立方英尺/分钟(SCFM)。一个标准立方英尺是在14.696磅/平方英寸(psi)(101.33kPa)的压力下在一个立方英尺(28升)的气体中包含的为60下(15.5°C)的气体的量。在冷却至室温后，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；热导率=2瓦特/(米-开尔文度)(W/mK);粒度范围(10体积％，mm)=0.012;粒度范围(50体积％，mm)=0.04;粒度范围(90体积％，mm)=0.1)注入双壁管的环形空间。当填充管时，在桌子上轻敲管几次以紧凑中空陶瓷微球，直至管中完全充满中空陶瓷微球。然后，在适当的位置螺纹连接可移除的密封件，并且填充中空陶瓷微球的管子以与空管子测试方法相同的方法测试。除了使用以商品名"G-3150Z-LIGHTSPHERES"陶瓷微球从3M公司得到的中空陶瓷微球(具有真密度=0.7克廣升；热导率0.2W/mK;粒度范围(10体积％，mm)=0.055;粒度范围(50体积％，mm)=0.105;粒度范围(90体积％，mm)=0.135)夕卜，该过程还被重复。测试结果在表1(下面)中报告，其中术语"NA"意思是"不适用"。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>在不偏离本发明的范围和精神的情况下，本领域内的技术人员可以对本发明作出各种修改和更改，并且应该理解的是，不应该将本发明不适当地限制于本文中给出的示例性实施例。权利要求1.一种绝缘双壁排气系统部件，包括内管、围绕所述内管的外管、连接所述内管和所述外管并且与所述内管和所述外管一起限定封闭腔体的第一和第二环形密封件、填充在所述腔体内部的中空陶瓷微球，所述中空陶瓷微球具有如下粒度分布，其中，基于总体积，至少90％的所述中空陶瓷微球具有小于150微米的尺寸。2.根据权利要求l所述的绝缘双壁排气系统部件，其中所述内管包括不锈钢、钢或钢合金。3.根据权利要求l所述的绝缘双壁排气系统部件，其中所述第一和第二密封件包括金属凸缘。4.根据权利要求l所述的绝缘双壁排气系统部件，其中，基于总体积，至少90%的所述中空陶瓷微球具有小于IIO微米的尺寸。5.根据权利要求l所述的绝缘双壁排气系统部件，其中所述中空陶瓷微球具有0.7至2.2克/毫升范围内的真密度。6.根据权利要求l所述的绝缘双壁排气系统部件，其中所述中空陶瓷微球具有2.0至2.1克/毫升范围内的真密度。7.根据权利要求l所述的绝缘双壁排气系统部件，其中所述绝缘双壁排气系统部件选自由下列部件组成的组绝缘双壁排气管、催化转化器组件的绝缘双壁端锥、催化转化器组件的绝缘双壁分隔圈、绝缘双壁消声器、以及绝缘双壁尾管。8.根据权利要求1所述的绝缘双壁排气系统部件，所述绝缘双壁排气系统部件连接到发动机，以使得来自所述发动机的排气被引导通过所述内管。9.根据权利要求8所述的绝缘双壁排气系统部件，其中所述排气系统部件设置在催化转化器的上游。10.根据权利要求8所述的绝缘双壁排气系统部件，其中所述部件包括绝缘双壁排气管。11.根据权利要求8所述的绝缘双壁排气系统部件，其中所述部件包括催化转化器组件的绝缘双壁端锥。12.根据权利要求8所述的绝缘双壁排气系统部件，其中所述部件包括绝缘双壁尾管。13.—种制造绝缘双壁排气系统部件的方法，所述方法包括提供内管；至少部分地将所述内管限制在外管内；连接所述内管和外管以形成具有至少一个开口的可填充腔体；用中空陶瓷微球至少部分地填充所述可填充腔体，所述中空陶瓷微球具有如下粒度分布，其中，基于总体积，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个开口并封闭所述中空陶瓷微球。14.根据权利要求B所述的制造绝缘双壁排气系统部件的方法，其中所述内管和所述外管通过至少一个密封件连接，并且其中所述内管、外管、所述至少一个密封件以及所述开口形成所述可填充腔体。15.根据权利要求14所述的制造绝缘双壁排气系统部件的方法，其中所述至少一个密封件包括金属凸缘。16.根据权利要求13所述的制造绝缘双壁排气系统部件的方法，其中所述内管包括不锈钢、钢或钢合金。17.根据权利要求13所述的制造绝缘双壁排气系统部件的方法，其中，基于总体积，至少90%的所述中空陶瓷微球具有小于110微米的尺寸。18.根据权利要求13所述的制造绝缘双壁排气系统部件的方法，其中所述中空陶瓷微球具有0.7至2.2克/毫升范围内的真密度。19.根据权利要求13所述的制造绝缘双壁排气系统部件的方法，其中所述中空陶瓷微球具有2.0至2.1克/毫升范围内的真密度。20.根据权利要求13所述的制造绝缘双壁排气系统部件的方法，其中所述绝缘双壁排气系统部件选自由下列部件组成的组绝缘双壁排气管、催化转化器组件的绝缘双壁端锥、催化转化器组件的绝缘双壁分隔圈、绝缘双壁消声器、以及绝缘双壁尾管。21.在双壁排气系统部件中作为绝缘体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，基于总体积，至少90%的所述中空陶瓷微球具有小于150微米的尺寸。全文摘要本发明涉及一种双壁排气系统部件及其制造方法，所述双壁排气系统部件具有设置在内管和外管之间的中空陶瓷微球。所述中空陶瓷微球具有如下粒度分布，其中，基于总体积，至少90％的所述中空陶瓷微球具有小于150微米的尺寸。文档编号F01N3/28GK101473116SQ200780022388公开日2009年7月1日申请日期2007年6月1日优先权日2006年6月15日发明者理查德·P·梅里申请人:3M创新有限公司