CONDUITE DE GAZ PRESENTANT UNE STRUCTURE EN NID D'ABEILLE
Arrière-plan de l'invention 1) Domaine de l'invention La présente invention concerne une conduite de gaz présentant une structure en nid d'abeille, utilisée principalement dans un système d'épuration de gaz
d'échappement pour automobile.
2) Description de la technique concernée
Actuellement, les conduites de gaz présentant une structure en nid d'abeille sont largement utilisées du fait qu'elles présentent des chutes de pression peu importantes (lorsqu'un gaz passe à travers) en raison de l'importance de la hauteur de la zone frontale ouverte et elles présentent un pouvoir élevé d'épuration des gaz d'échappement. A titre d'exemple de ce type de conduites de gaz, on connaît bien un convertisseur catalytique céramique en nid d'abeille utilisé dans un système
d'épuration des gaz d'échappement pour automobile.
Pour fabriquer un tel convertisseur catalytique céramique en nid d'abeille, le catalyseur céramique en nid d'abeille est maintenu dans un boîtier de convertisseur (cette opération est appelée "emboîtage") pour pouvoir manipuler facilement le catalyseur en nid d'abeille. Par exemple, comme le montre la figure 4, afin de maintenir de manière fiable un catalyseur en nid d'abeille 12 dans un boitier métallique 11 et en outre réduire l'impact appliqué au catalyseur 12 par l'extérieur, un matelas de fibres céramique 13 est introduit, sous pression, dans l'espace situé entre la surface extérieure du catalyseur en nid d'abeille 12 et la surface intérieure du boîtier métallique 11, après quoi le catalyseur en nid d'abeille 12 est maintenu dans le boîtier métallique 11 dans la direction axiale du boîtier métallique 11. Précisément, un tenon 14 qui est ajusté sur une extrémité du boîtier métallique 11 et qui fait saillie vers le centre du cercle constitué par l'extrémité du boîtier métallique 11, et une bague de retenue 15 soudée à l'autre extrémité du boîtier métallique 11 ou par une pluralité de saillies 16 (voir figure 5) s'étendant depuis l'autre extrémité du boîtier métallique 11 mais rabattues vers le centre du cercle constitué par l'autre extrémité du boîtier métallique 11 peuvent venir en butée contre le catalyseur en nid d'abeille 12; ensuite, chaque cône (non représenté) qui est un élément métallique facilitant l'entrée et l'évacuation des gaz d'échappement, est ajusté dans les deux extrémités du boîtier métallique 11 par soudure ou silimilaire. Lorsque le catalyseur en nid d'abeille 12 est maintenu dans le boîtier métallique 11 comme susmentionné, cependant le tenon 14 et la bague de retenue 15, tous deux ajustés dans le boîtier métallique 11, bloquent une partie des passages du catalyseur en nid d'abeille 12, ce qui rend impossible l'utilisation efficace du volume total du catalyseur en nid d'abeille 12 et implique en outre une augmentation des chutes de pression. Ceci entraîne une augmentation des émissions ou une réduction des performances du moteur lorsque le boîtier métallique 11 maintenant le catalyseur en nid d'abeille 12 est utilisé comme convertisseur catalytique
en nid d'abeille.
De surcroît, du fait que le tenon 14 et la bague de retenue 15 sont ajustés dans le boîtier métallique 11, il se produit une augmentation des coûts de production et des coûts de matériaux du convertisseur catalytique en
nid d'abeille.
Résumé de l'invention Afin d'atténuer les problèmes ci-dessus mentionnés de la technique concernée, la présente invention a pour objet de proposer une conduite de gaz présentant une structure en nid d'abeille, qui utilise tout le volume de la structure en nid d'abeille, qui présente des chutes de
pression moins importantes, et qui est moins coûteuse.
Selon la présente invention, on propose une conduite de gaz présentant une structure en nid d'abeille, qui comprend: un boîtier métallique, une structure en nid d'abeille logée dans le boitier métallique, un élément de retenue placé entre la surface extérieure de la structure en nid d'abeille et la surface intérieure du boîtier métallique, et un (des) cône(s) fixé(s) à la surface intérieure du boîtier métallique à l'une ou aux deux ouvertures du boîtier métallique, dans lequel la(les) circonférence(s) de l'une ou des deux faces d'extrémité de la structure en nid d'abeille est
peut(peuvent) venir en butée contre le(s) cône(s).
Dans la conduite de gaz comprenant une structure en nid d'abeille de la présente invention, il est préférable que la (les) circonférence(s) de la (des) face(s) d'extrémité de la structure en nid d'abeille vienne (viennent) en butée sur le(s) cône(s) en formant un angle
de 45 à 85 .
Dans la conduite de gaz présentant une structure en nid d'abeille de la présente invention, il est également préférable que la(les) circonférence(s) de la(des) face(s) d'extrémité de la structure en nid d'abeille soit (soient) chanfreinée(s) et que la taille ou le rayon de
chanfrein soit compris entre 0,1 et 1 mm.
La conduite de gaz ayant une structure en nid d'abeille de la présente invention prend de préférence la forme suivante: la structure en nid d'abeille est constituée de céramique ou de métal, et elle est un catalyseur destiné à épurer les gaz d'échappement, un filtre pour piéger les substances particulaires présentes dans le gaz d'échappement, ou un échangeur de chaleur; l'élément de retenue est un matelas de fibres céramique ou un treillis en fil métallique; et le boîtier métallique présente une structure de remplissage, une structure de tourniquet ou une structure bivalve.
Brève description des dessins
La figure 1 est un dessin représentant un exemple de la conduite de gaz présentant une structure en nid
d'abeille de la présente invention.
La figure 2 est une vue en coupe partielle représentant un exemple de l'état dans lequel, dans la conduite de gaz présentant une structure en nid d'abeille de la présente invention, la circonférence d'une face d'extrémité de la structure en nid d'abeille vient en
butée contre le cône.
La figure 3 est une vue en coupe partielle montrant un autre exemple de l'état dans lequel, dans la conduite de gaz présentant la structure en nid d'abeille de la présente invention, la circonférence d'une face d'extrémité de la structure en nid d'abeille vient en
butée contre le cône.
Les figures 4(a) et 4(b) sont des dessins qui représentent un exemple de conduites de gaz classiques présentant une structure en nid d'abeille, c'est-à-dire des
convertisseurs catalytiques céramiques en nid d'abeille.
Les figures 5(a) et 5(b) montrent un exemple de l'état dans lequel, dans une conduite de gaz classique présentant une structure en nid d'abeille, la circonférence d'une face d'extrémité de la structure en nid d'abeille vient en butée contre les saillies du boîtier métallique. La figure 5(a) est une vue en perspective, et
la figure 5(b) est une vue en coupe partielle.
La figure 6 est un graphique montrant la variation de chute de pression lorsque le débit d'air a changé, dans la conduite de gaz présentant une structure en nid
d'abeille, de l'exemple 1 ou de l'exemple comparatif 3.
La figure 7 est un graphique qui montre, dans une conduite de gaz, présentant une structure en nid d'abeille, la variation de la chute de pression lorsque l'angle 0 de butée entre la circonférence d'une face d'extrémité de la structure en nid d'abeille et le cône a
été changé dans la plage de 30 à 90 .
La figure 8 est un graphique montrant les résultats des tests calorifiques et vibratoires réalisés sur les conduites de gaz présentant une structure en nid d'abeille, des exemples 1 et 3 et des exemples
comparatifs 3 et 4.
Description détaillée des modes de réalisation préférés
La présente invention est ci-après décrite en détail
en se référant aux dessins annexés.
La figure 1 est un dessin représentant un exemple de conduite de gaz présentant une structure en nid
d'abeille, de la présente invention.
La conduite de gaz présentant une structure en nid d'abeille, représentée sur la figure 1, comprend un boîtier métallique 21, une structure en nid d'abeille 22 logée dans le boîtier métallique 21, un élément de retenue 23 placé entre la surface extérieure de la structure en nid d'abeille 22 et la surface intérieure du boîtier métallique 21, des cônes 24 ajustés sur la surface intérieure du boîtier métallique 21 au niveau des deux ouvertures du boîtier métallique 21, et un cache de protection 26 permettant l'isolation thermique, utilisé
comme couvercle du boîtier métallique 21.
La principale caractéristique de la présente conduite de gaz présentant une structure en nid d'abeille réside dans le fait que la circonférence 22a d'au moins une face d'extrémité de la structure en nid d'abeille 22
vient en butée contre le cône 24 (voir les figures 1 à 3).
Grâce à cela, la structure en nid d'abeille peut être serrée directement par le cône 22 [et non par le tenon 14, la bague de retenue 15 et la pluralité de saillies 16 (montrées sur les figures 4 et 5) tous utilisés traditionnellement]; par conséquent, aucun des passages de la structure en nid d'abeille 22 n'est bouché et le volume total de la structure en nid d'abeille 22 peut être utilisé de manière efficace, et des réductions de la chute de pression et des limitations de coûts
peuvent être réalisées.
Egalement, dans la présente conduite de gaz, les mêmes performances peuvent être obtenues avec une structure en nid d'abeille plus petite que les structures en nid
d'abeille classiques, ce qui présente un avantage de coût.
En outre, dans la présente conduite de gaz, le déplacement de la structure en nid d'abeille 22 provoqué par les vibrations (on pense que ce déplacement se produit principalement en raison d'une déformation due au cisaillement de l'élément de retenue 23) peut être évité; en outre, le contact entre l'élément de retenue 23 et les gaz d'échappement à haute température peut être évité, ce qui permet de supprimer la détérioration de
l'élément de retenue 23.
Dans la présente conduite de gaz présentant une structure en nid d'abeille, il est préférable que la(les) circonférence(s) de la(des) face(s) d'extrémité de la structure en nid d'abeille 22 vienne(nt) en butée sur
le(s) cône(s) 24 en formant un angle 0 de 45 à 85 .
La raison en est la suivante. En effet, lorsque l'angle de butée est inférieur à 45 , l'effet de la réduction de chute de pression est faible; lorsque l'angle de butée est supérieur à 85 , la force de maintien de la structure en nid d'abeille dans la
direction axiale du boîtier métallique est faible.
De surcroît, dans la présente conduite de gaz présentant une structure en nid d'abeille, il est préférable que la(les) circonférence(s) de la(des) face(s) d'extrémité de la structure en nid d'abeille soit(soient) chanfreinée(s) comme le montrent les figures
2 et 3.
La raison en est la suivante. En effet, en chanfreinant la circonférence 22a de la face d'extrémité de la structure en nid d'abeille 22, il est possible d'éviter la détérioration de la structure en nid d'abeille 22 qui se produit lorsque le cône 24 peut venir
en butée sur celle-ci.
Il est également préférable que la taille C (voir figure 2) ou le rayon R (voir figure 3) du chanfrein de la circonférence 22a de la face d'extrémité de la structure en
nid d'abeille 22 soit compris entre 0,1 et 1 mm.
La raison en est la suivante. En effet, lorsque la taille C ou le rayon R du chanfrein est inférieur à 0,1 mm, on n'obtient aucun effet suffisant; lorsque la taille C ou le rayon R du chanfrein est supérieur à 1 mm,
on est confronté à des coûts de production supérieurs.
L'élément de retenue 23 utilisé dans la présente conduite de gaz est de préférence un matelas de fibres
céramique ou un treillis en fil métallique.
La structure en nid d'abeille 22 utilisée dans la présente conduite de gaz est de préférence constituée de
céramique ou de métal.
La structure en nid d'abeille utilisée dans la présente conduite de gaz comporte un nombre important de passages présentant une section polygonale, qui sont parallèles à la direction de la conduite de gaz et qui sont entourés des parois séparatrices réalisées à l'intérieur de la paroi circonférentielle de la structure en nid d'abeille, et elle est utilisée comme catalyseur pour épurer les gaz d'échappement, comme filtre pour piéger les substances particulaires présentes dans les
gaz d'échappement, ou comme échangeur de chaleur.
La section polygonale susmentionnée des passages de la structure en nid d'abeille est de préférence triangulaire pour espérer obtenir une chute de pression
aussi faible que possible.
La structure en nid d'abeille ne présente pas de restrictions particulières quant à sa forme; toutefois, la forme de la section perpendiculaire à la direction de la présente conduite de gaz est traditionnellement arrondie, ovale, en forme de champ de course ou silimilaire. Le boîtier métallique 21 utilisée dans la présente conduite de gaz présente de préférence une structure de remplissage, une structure de tourniquet ou une structure
bivalve.
La structure de bottier métallique 21 ci-dessus est choisie de manière appropriée en fonction de la forme de la structure en nid d'abeille 22. Par exemple, la structure de remplissage et la structure de tourniquet sont adaptées à une structure en nid d'abeille de forme arrondie parce que ces structures de boîtier métallique permettent un emboîtage relativement simple. La structure bivalve du boîtier métallique est adaptée à une structure en nid d'abeille ovale ou en forme de champ de course du
fait qu'elle permet un emboîtage relativement simple.
La présente invention est décrite plus en détail ci-
après au moyen d'exemples. Toutefois, la présente
invention n'est en aucun cas limitée à ces exemples.
Exemples comparatifs 1 à 3 et exemples comparatifs 1 à 4 Comme représenté sur la figure 1, une extrémité d'un cône 24a a été complètement soudée sur la surface intérieure d'un boîtier métallique 21 au niveau d'une ouverture du boîtier métallique 21; ensuite, une structure en nid d'abeille 22 a été introduite dans le boîtier métallique 21 par l'autre ouverture du boîtier métallique 21; également par l'autre ouverture du boîtier métallique 21, un élément de retenue 23 a été introduit, sous pression, dans l'espace situé entre la surface extérieure de la structure en nid d'abeille 22 et la surface intérieure du boîtier métallique 21; ensuite, un cône 24b a été introduit dans le boîtier métallique 21 par l'autre ouverture du boîtier métallique 21, et soudé sur la surface intérieure du boîtier métallique 21 de manière temporaire en quatre points dans un état dans lequel le cône 24b pouvait venir en butée sur la circonférence 22a d'une face d'extrémité de la structure en nid d'abeille 22 selon un angle 0 indiqué dans le tableau 1; ensuite, le cône 24b a été complètement soudé; un couvercle de protection 26 a été soudé en huit points de manière à ce qu'il recouvre le boîtier métallique 21; on a ainsi fabriqué différentes conduites de gaz 20 présentant une structure en nid d'abeille, selon
les exemples 1 à 3 et les exemples comparatifs 1 et 2.
Tableau 1
Angle de butée 0 ( ) Exemple 1 45 Exemple 2 60 Exemple 3 85 Exemple comparatif 1 30 Exemple comparatif 2 90 Exemple comparatif 3 Exemple comparatif 4 De manière séparée, comme le montre la figure 4, une structure en nid d'abeille 12 a été maintenue dans un boîtier métallique 11; un matelas de fibres céramique 13 a été introduit, sous pression, dans l'espace situé entre la surface extérieure de la structure en nid d'abeille 12 et la surface intérieure du boîtier métallique 11; afin de maintenir la structure en nid d'abeille 12 dans le boîtier métallique 11 dans la direction axiale du boîtier métallique, un tenon 14 faisant saillie d'une extrémité du boîtier métallique 11 vers le centre du cercle formé par ladite une extrémité et une bague de retenue 15 soudée à ladite autre extrémité du boîtier métallique 11 pouvaient venir en butée sur la structure en nid d'abeille 12; ensuite, un cône (non représenté), qui était un élément métallique ayant pour fonction d'introduire et d'évacuer un gaz d'échappement, a été raccordé, par soudage, à chaque extrémité du boîtier métallique 11; on a ainsi fabriqué une conduite de gaz présentant une structure en nid d'abeille, selon
l'exemple comparatif 3.
Dans l'exemple comparatif 4, une conduite de gaz présentant une structure en nid d'abeille a été réalisée de la même manière que dans l'exemple comparatif 3 excepté qu'on n'a utilisé ni un tenon 14, ni une bague de
retenue 15.
Les conduites de gaz présentant une structure en nid d'abeille réalisées selon les exemples 1 à 3 et les exemples comparatifs 1 à 4 ont été soumises aux types de
test suivants.
Test de chute de pression 1 Les conduites de gaz de l'exemple 1 et de l'exemple comparatif 3 ont été testées pour connaître la variation de chute de pression à température ambiante lorsque le débit d'air a été modifié. Les résultats sont présentés
sur la figure 6.
Test de chute de pression 2 Les conduites de gaz des exemples 1 à 3 et des exemples comparatifs 1 et 2 ont été testées pour connaître la variation de chute de pression à un débit d'air de 4 Nm3/mn lorsque l'angle 0 de butée entre la circonférence d'une face d'extrémité de la structure en nid d'abeille et le cône est passé de 30 à 90 . Les
résultats sont présentés sur la figure 7.
Test de chauffage et de vibration La conduite de gaz présentant une structure en nid d'abeille, selon l'exemple 1 ou 3 ou l'exemple comparatif 3 ou 4 était ajustée dans un testeur de chaleur et de vibration, de sorte que la direction de la conduite de gaz devienne identique à la direction de vibration du testeur; ensuite, on a fait vibrer la conduite de gaz selon une accélération de vibration donnée pendant 4 heures dans les conditions de cycle de température basse- élevée (température du gaz: 200 à 1 000 C) et 185 Hz; et on a mesuré la valeur du déplacement de la structure en nid d'abeille dans le boîtier métallique; de ce fait, la conduite de gaz a été évaluée en ce qui concerne sa résistance à la chaleur et aux vibrations. Les résultats
sont présentés sur la figure 8.
A ce propos, les matériaux suivants ont été utilisés pour fabriquer chaque conduite de gaz comprenant une
structure en nid d'abeille.
Structure en nid d'abeille: 103 mm (diamètre) x 120 (long.), épaisseur des nervures = 0,1 mm, densité cellulaire = 62 cellules/cm2, réalisée en cordiérite Matelas de fibres céramique: Maftec (nom de marque), produit de Mitsubishi Chemical Corporation Boîtier métallique: structure de remplissage réalisée en SUH 409 Cône et bague de retenue: tous deux réalisés en SUH Evaluation des résultats des tests Comme représenté sur la figure 6, la conduite de gaz de l'exemple 1 a conservé la même force de serrage/retenue vis-à-vis de la structure en nid d'abeille que la conduite de gaz de l'exemple comparatif 3, dans la direction axiale du boîtier métallique, et elle présentait une chute de pression inférieure à celle
de la dernière conduite de gaz, d'environ 15%.
Comme représenté sur la figure 7, lorsque l'angle 8 de butée entre la circonférence d'une face d'extrémité de la structure en nid d'abeille et le cône était dans la plage de 45 à 85 , la réduction de chute de pression était possible alors que la force de retenue vis-à-vis de la structure en nid d'abeille dans la direction axiale du
boîtier métallique était maintenue.
Comme représenté sur la figure 8, le déplacement de la structure en nid d'abeille est apparu à une accélération de vibration de 50 G dans la conduite de gaz de l'exemple comparatif 4 (en n'utilisant pas de bague de retenue); toutefois, les conduites de gaz des exemples 1 et 3 présentaient à peu près la même résistance aux vibrations que la conduite de gaz de l'exemple comparatif
3 (en utilisant une bague de retenue).
Comme décrite ci-dessus, la conduite de gaz présentant une structure en nid d'abeille de la présente invention peut utiliser de manière efficace le volume total de la structure en nid d'abeille, elle présente une chute de pression réduite, et elle est également d'un
coût faible.
En outre, la conduite de gaz présentant une structure en nid d'abeille de la présente invention, peut éviter le déplacement de la structure en nid d'abeille provoqué par les vibrations, elle peut éviter le contact de l'élément de retenue avec le gaz d'échappement à haute température et elle peut donc éliminer la détérioration de l'élément
de retenue.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation ci-dessus décrits et représentés, à partir desquels on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation, sans pour autant sortir
de la portée de l'invention.