CN1063008C - 可实现金属连接的电绝缘支座结构及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

用一个承受空间压力、即在几乎所有方向上都承受压力的陶瓷材料作为电绝缘材料。该陶瓷材料设置在一个第一和一个第二金属结构之间。该两结构的形状应保证在各个方向均对陶瓷材料施加压力，而两结构之间互不接触。这种支座结构特别适用于电加热蜂窝体，特别是汽车上用的催化净化转换器。在所述蜂窝体上所需要的绝缘间隙可通过该电绝缘的、但可进行金属连接的结构(41，42；51，52；61，62)稳定。由此稳定了对热膨胀和机械振动的控制并提高了这类催化净化转换器的使用寿命。

Description

可实现金属连接的电绝缘支座结构及其制造方法
本发明涉及一种可承受各方向的机械负荷并可金属地连接于相互点绝缘的导电构件上的电绝缘支座结构。在许多工程应用场合，通常需要使导电构件之间相互绝缘，但同时又常需要这些构件之间有某种机械组合关系，所以，人们已知有各种电绝缘支座结构。其中，通常用塑料或陶瓷构件来进行绝缘。
但是，在这些绝缘体同时还要承受很大的机械负荷时常常会产生问题。尽管陶瓷结构可以承受压力负荷，但不能承受较大的拉力。此外，在将陶瓷构件固定在导电体上时，它必须承受压力，这通常会产生一些问题。虽然人们已经知道使用镀有金属的陶瓷，例如使其具有可焊接性，但这种陶瓷所能承受的拉力负荷仍然不能超出陶瓷本身所能承受的限度。
在WO 92/02714中公开了一种带有内承载结构的电加热蜂窝体，其中，各个构件或各个部分必须相互电绝缘，该蜂窝体在产生极高的热负荷的同时，还会因热膨胀产生极高的机械负荷。
本发明的任务是提供一种绝缘的、并可与相互电绝缘的导电部件金属连接的支座结构，其中，该支座结构可提高承受来自各个方向的较高的机械负荷，特别是可承受较高的拉力负荷的能力。这种支座结构特别适用于具有极高应力的电加热蜂窝体。本发明的另一任务是提供适于制造这种支座结构的方法。
为实现上述任务，采用了一个电绝缘的、可承受各个方向载荷并可与相互电绝缘的导电体金属连接的支座结构。其中，用一个空间压上、即在几乎所有方向上压入的陶瓷材料作为电绝缘材料。该陶瓷材料设置在一个第一和一个第二金属结构之间，该两结构的形状应保证在各个方向均对陶瓷材料施加压力，而两结构之间互不接触。本发明的要点在于，两金属结构是这样设置的，它可保证两者虽不接触，但可将位于两者之间的陶瓷层基本围住，使陶瓷材料在任何方向上都不会漏出。在此，陶瓷材料无论是用粉末状材料还是成形构件构成都无关紧要。两金属结构的形状必须保证，不论是粉末或是通过机械力压碎的碎片都不会从它们之间漏出。由此产生的陶瓷粉末的绝缘特性在诸如热电偶、套管式测量导体等领域中是公知的。可用于上述领域的陶瓷和金属材料也可用于本发明。重要的是，该支座结构能够与相互电绝缘的构件金属连接。其中，第一金属结构与第一构件连接，第二金属结构与一个与第一构件相互绝缘的第二构件连接。
一种简单的而性能很好的结构形式是：第一金属结构是一根连续的金属线或一条连续的金属带，第二金属结构则由包在金属线或金属带外的一段段套管构成。在这两金属结构之间均压入陶瓷材料。通过这样的方法可以使一个构件与金属线或金属带金属连接，而另一个与该构件电绝缘的构件则与套在外周的各套管连接。无论在两构件上施加什么方向的力，位于两金属结构之间的陶瓷材料因其在各方向被密封因而只受到压力载荷。因此，该支座的承载能力取决于金属件的承载能力而不取决于陶瓷材料的承载能力。
在该实施方案中，陶瓷材料即可由一个个瓷珠或小陶瓷管构成也可以是粉末状的。被压紧的瓷珠或小陶瓷管即使在经过一段时间的交变热负荷作用后被粉碎成碎片或粉末也无关紧要，因为该碎片不会从金属结构之间遗失。
若采用以下结构则可获得更合理、面积更大的支座结构，即，使第一金属结构与第二金属结构通过一个或多个拱起部与至少一个内缩部、例如一个具有按钮特性的内缩部相互形状配合适宜地连接，在两者之间设有陶瓷材料、最好是薄金属氧化层。在拱起部与内缩部所在的区域内陶瓷夹层也不能漏出。与前面提到的实施方案相同，无论从那个方向对支座结构施力，陶瓷层承受的总是压力。
如下面将进一步描述的，如果先将第一和第二金属结构相互形状配合适宜地连接，然后在两者之间构成绝缘层则效果更好。这可通过对两结构之间的表面氧化或化学处理或对其中一个表面进行特殊涂敷来实现。
本发明的另一任务是通过一种制造上述支座结构的方法实现的：其中，在第一和第二金属结构之间在各个方向上压入的陶瓷材料、最好是粉末状的材料。第一和第二结构的形状应保证二者至少有一段可以与其他结构件金属连接。另一个值得强调的是，第一和第二金属构件尽管可以与其它构件金属连接，但两金属构件相互不接触。无论对金属构件施加何方向的力，被压入在其间的陶瓷材料都只受到压力载荷。
这可以通过简单的方法实现，即、采用一个被陶瓷层和金属套筒包住的第一金属结构，所述包在外周的金属套筒被分成多段。重要的是，外层金属结构的各个段不是简单地敞开的，而是被弯向内侧，使得位于其中的陶瓷材料基本上在各个方向上都承受压力。人们可以用一个普通的套管型导体将其各个截面缩小然后将套筒上被缩小的各段(用诸如用腐蚀或熔融等方法)取下便可制出本发明的套筒结构。
对于大面积的支座结构最好采用这种方案，第一和第二金属结构中至少有一个的表面经化学处理转换成电绝缘面或在表面涂有涂层，通过对二者进行相同的形状处理，实现二者之间的空间形状配合适宜地连接。其中，所述可转换的表面位于两金属结构之间。随后通过氧化等方法将可转换的表面或表面层转化为具有电绝缘性的陶瓷层。由此在三维形状连接部分之间形成一个几乎在各个方向上均受压的绝缘层。三维形状连接可通过诸如按钮技术领域中已知的方法或通过在不同的方向上的弯折来实现。
一种特别合理的方法是，将两块钢板作为第一和第二金属结构叠合起来，其中至少一块板具有一个可经化学处理而转换为绝缘层的、特别是含铝的层的内表面。首先，将两板沿一个第一方向一同弯曲，然后沿着一个与第一方向大至垂直的第二方向上在第一次弯曲的较大的变形的条件下再弯曲，由此在两板件产生一种三维形状连接结构。随后，用化学处理方法和/或热处理方法将可转换的内表面处理成陶瓷绝缘层。
可借助于相互啮合的齿轮来弯曲两板，其中，一个接一个的弯折在两个大约相互垂直的方向上形成特殊的折皱形状，由此在两相互叠合的板间形成一可靠的三维形状连接结构。在一个板的内表面上的铝层在两次弯折中均可毫无问题地随其一同变形，因此在变形后仍完全覆盖在两板之间。然后，对该层进行氧化，如在含氧状态下进行热处理，由此可在两板之间获得均匀的、在各处均压入的绝缘层。如果结构的面积很大，也可以在后续工步中在两板之间加一些活性的、含氧的化学物质作为涂层，以便预先提供氧化过程中所需要的氧气。
本发明特别适用于固定如WO 92/02714中所述的那种电加热催化净化转换器。为避免重复，可参照该文献的全部内容。在经受交变热负荷及安装到汽车上时，在这种电加热催化净化转换器的各部件之间会产生相当大的机械负荷及振动。因此，由气隙或陶瓷层构成的绝缘层显然不能满足各种应用场合的要求。十分重要的是，各个部件之间的机械连接需要满足以下两方面，一方面相互之间不能太近(否则会造成短路)，另一方面距离又不能太远(否则会导致振动或结构断裂)。本发明的支座结构就特别适用于这样的用途。利用该支座结构，可使第一金属结构与第一构件金属连接而第二金属结构与同第一构件相互绝缘的第二结构金属连接。在此，即可采用平面型支座结构也可采用单一的或多个线形支座结构。
如附图中详细表示的，电加热催化净化转换器常常制成具有导电性的蜂窝体并被分成若干个部分。通过将本发明的支座结构设置在蜂窝体内腔，使其第一金属结构与蜂窝体的一部分金属连接而第二金属结构与另一部分金属连接，因此，本发明的支座在进行电分割的同时，还用作各部分相对侧的固定。在此情况下若采用硬焊接则更好，因为这类蜂窝体本来就必须焊接。不过，连接方法也可采用其他焊接方法或烧结方法。本发明的支座结构在这类蜂窝体上还这样使用，将支座设置在催化净化转换器的端面处，其中，支座的第一金属结构与转换器上的一部分金属连接，而其第二金属结构与另一部分金属连接，由此使不同的部分之间形成相互支撑的关系。在此情况下，支座结构以类似于钩形或卡箍形结构使各部分机械的但非电的连接。
附图中表示了本发明的各种实施例，其中：
图1表示了带有连续的内金属结构的支座结构的纵向剖视图；
图2表示了穿过在两板之间形成的三维形状连接结构截取的剖视图；
图3表示了一个带有带状内金属结构的支座结构的剖视图；
图4表示了一种内腔安装有本发明支座结构的电加热催化净化转换器的局部剖视图，其中表示了各种实施方案；
图5表示一个在端面上安装有本发明支座结构的电加热催化净化转换器的端部视图。
图1示意表示了一个金属线状的第一金属结构11的纵向剖视图。该结构在其区段16处可与外界接触。一个第二金属结构12在另一个区段中包围着第一金属结构11。在结构11、12之间压入陶瓷材料13。在本实施例中，陶瓷材料是一种粉末状材料，例如一种铝和/或镁氧化物。第二金属结构12为短管形并以一定的间距穿在第一金属结构11上。第二金属结构除采用短管外还可采用类似于珠形的结构14，其中带有瓷珠15。该结构穿在第一金属结构11上并使第一结构上保留可与外界接触的区段16。在结构11与12或14之间的保留的间隙应足以使电绝缘层不承受过高的应力但又不容许陶瓷绝缘材料漏出。陶瓷材料通过外金属结构12或14几乎封闭的形状被几乎从各个方向上封闭并压紧。不仅内金属结构11而且外金属结构12或14都可以与其他相互电绝缘的构件金属连接。特别是，由于这种支座对温度敏感而本身在承受高温焊接时又不会损坏因而可用于焊接方法连接。
图2用剖视图表示了本发明的另一实施例。一个第一金属结构21和一个第二金属结构22与夹在其间的一个绝缘层23采用这样的形状，该形状构成一个至少有一个内缩部24的拱起部25。该内缩部可理解为一个具有按钮性质的构件，用于防止两金属构件相互脱开。还可以采用许多这类形状的连接式拱形结构，其中，或者象按钮那样，各拱起部分本身就构成一个三维形状连接结构或者通过多个在不同平面延伸的槽形结构组合成一个三维的形状连接结构。若通过在两个相互叠合的板上沿两个基本垂直的方向延伸的轴来实现三维形状连接则更为合理。沿各轴线方向形成的拱起部分构成一个面积较大的三维形状连接结构。由于在制造这种用于形状连接的拱形部分时通常会产生较大的变形，从而使已经被装入的绝缘层23在某些点上被压出，使得在金属结构21、22之间产生导电连接。因此，比较合理的方式是，在三维形状连接已完成后再制造绝缘层23。例如，可通过在板件21、22的内表面进行氧化，使其被诸如铝和/或镁涂敷层完全覆盖，从而产生一定的陶瓷氧化层。在面积较大的结构件上，也可以附加一些含氧的涂敷层，以便在以后通过加热加速氧化过程。图2所示的支座结构可从两侧与其他构件通过诸如焊接金属连接。
图3表示了支座结构的另一实施例的横截面。在该支座上带有一个带状第一结构31、一个陶瓷绝缘层33和一个由一块板弯成的第二外金属结构32。根据稳定性的要求可将外结构32上相互重叠的部分相互焊接起来。在图3所示的实施例中，第二金属结构32仅在部分区段内包围带状第一金属结构31，使得第一金属结构31可在其所述区段之间与其他构件金属连接。
根据本发明的另一构思，本发明的支座结构最好用于电加热金属蜂窝体上，特别是用于电加热式催化净化转换器上。图4表示了这样一种蜂窝体截面上的一部分，它可以各种不同的方式实现本发明支座结构。关于电加热蜂窝体的结构可参照WO 92/02714，其中描述了这种蜂窝体的实施方案。这里所述的安装支座结构的规则类似于在其他产品上成形并再分体的蜂窝体上和在用其他金属丝线编制的、其相互电绝缘但机械连接的结构上的安装方式。在图4所示的实施例中，导电结构是由平板1和波纹板2构成的，该导电结构由支撑结构3束缚住并被装入到套管4中。在支撑结构3和套筒4之间构成一个绝缘间隙5。在支撑结构3和一个用于界定边界的支撑板8之间还有另一个绝缘间隙6。在支撑结构3与支撑板之间的另一点上还设有一个绝缘间隙7。在对这种蜂窝体进行的快速因而并非均匀的加热情况下，各个区段产生的热膨胀是不同的。另外在这种蜂窝体用在汽车上时可随汽车的加速在蜂窝体的结构上产生相当大的作用力。因此，为获得较长的使用寿命，最好通过支座结构使间隙5、6、7稳定。在此，该支座结构必须承受各个方向上的负荷。同时还必须保证电绝缘层经久耐用。图4中表示了各种解决上述问题的方案。由于这种蜂窝体上通常采用焊接或烧结工艺，所以若在进行上述工艺的同时将支座结构与相邻的构件连接则更为合理。图中所示的即是这种情况。
于是，通过图2所示的支撑结构使间隙5稳定，其中第一金属结构51与第二金属结构52通过拱形部分形状适宜地连接。在二者之间三维地压入由陶瓷材料构成的绝缘层53。第一金属结构51通过接缝技术、如焊接工艺与支撑结构3连接，而第二金属结构52则通过接缝技术与套筒4金属连接。这种支座结构可由一条一条的构件组成也可由一个大面积的结构件构成。
借助于间隙6还可看出另一种固定方案。在该间隙中设置了一个如图1所示的支座结构。其中金属丝形的第一金属结构41被弯曲成波纹形，在其波峰和波谷区支撑着管状或珠状的第二金属结构42。第二金属结构42交替地与支撑结构3和支撑板8接触。通过在第一金属结构41和第二金属结构42之间的陶瓷绝缘层(图中未示)获得间隙6的电绝缘功能，由此获得持久的、具有一定弹性的机械支撑。第一金属结构41也可采用图3所示实施例中的带状形状。
间隙7表示了支座结构的另一种实施方式以及与相邻的构件的连接方式。在本实施方式中，第一线形或带状金属结构61首先与蜂窝体的支撑结构3在多点连接。为此设置中间段64或将结构61直接与支撑结构3连接。在此，连接将首先考虑焊接。这是因为在组合成蜂窝体前，结构61就已经与支撑结构3连接了。结构61在各个相互隔开的区段内支撑着一个第二金属结构62。第二金属结构62如上所述的那样通过一个绝缘层(图中未示)与结构61电绝缘。第二金属结构62的部分区段与设置在边界的支撑板接触并可通过接缝技术、特别是焊接或烧结工艺与之连接。若蜂窝体的支撑结构3与支座结构61、62、64在组合成蜂窝体前就预先制备好，以简化组装，则效果更好。这样，板1、2的连接可以与焊接工艺同时进行，从而以后不需要再焊接了。
除图4所示的在电加热蜂窝体内腔安装4支座的情况外，还可以象图5所示那样，通过在外部、端部设置本发明支座结构达到固定的效果。WO 92/02714中描述了这种固定形式的主要方案。本发明支座特别适用于端部支撑，因为它能够保证金属的连接。特别是，图1所示的实施例的适用于电加热蜂窝体上端部支柱的连接，在连接时，第一金属结构71作为接头设置在蜂窝体上所需要的区段之间，并借助于绝缘层73和第二金属结构72与之相连接。因为本发明的支座结构可与蜂窝体上的任意点金属固定，因而相对的支撑点的数目及连接接头的走向可在不引起短路的前提下根据机械方面的要求自由选择。
本发明的特征是一种绝缘的、可起机械支撑作用的金属构件，其特别适用于固定由导电材料构成的电加热蜂窝体。本发明的支座可通过硬焊接、烧结和/或焊接方法与相邻的构件连接。

Claims (12)

1．一种电绝缘的、可承受各个方向载荷并可与相互电绝缘的导电体金属连接的支座结构，其特征在于，用空间地、即在几乎所有方向上压入的陶瓷材料(13；15；23；33；53；73)作为电绝缘材料，该陶瓷材料(13；15；23；33；53；73)设置在一个第一金属构件(11；21；31；41；51；61；71)和一个第二金属结构(12；14；22；32；42；52；62；72)之间，该两结构的形状应保证在各个方向均对陶瓷材料(13；15；23；33；53；73)施加压力，并且不管是用作陶瓷材料的粉末还是用作陶瓷材料的成型件的碎片均不会从所述金属构件中脱落，而两结构之间互不接触。
2．如权利要求1所述的支座结构，其特征在于，第一金属结构是一根连续的金属线(11；41；61；71)或一条连续的金属带(31)，而第二金属结构则由一段段相互分开的、将金属线(11；41；61；71)或金属带(31)围住的段(12；14；42；62)构成，在两金属结构之间均压入陶瓷材料(13；15；73)。
3．如权利要求2所述的支座结构，其特征在于，陶瓷材料由一个个瓷珠(15)或瓷管(13；73)构成，该陶瓷材料包围着第一金属结构(11；71)并被第二金属结构(12；14；72)封住。
4．如权利要求1所述的支座结构，其特征在于，第一金属结构(21；51)与第二金属结构(22；52)通过一个或多个拱起部与至少一个内缩部(24)相互形状配合适宜地连接，在两者之间设有陶瓷材料(23；53)。
5．如权利要求1所述的支座结构，其特征在于，通过对两结构(21；22；51；52)之间的表面氧化或化学处理或对至少一个结构的一个表面涂敷镀层形成陶瓷材料(23；53)。
6．一种用于制造如权利要求1所述的支座结构的方法，其特征在于，在第一金属结构(11；21；31；41；51；61；71)和第二金属结构(12；14；32；42；52；62；72)之间在所有方向上压入陶瓷材料(13；15；33；53；73)，其中，第一、第二金属结构的形状应保证二者都至少有一部分可与其他结构件(3；4)金属连接。
7．如权利要求6所述的方法，其特征在于，第一金属结构(11；41；61)是一个单独构件，第二金属结构(12；14；42；62)是将一个套在第一金属结构(11；41；61)外周的金属套管分成若干段(42；62)形成的。
8．一种用于制造如权利要求5所述的支座结构的方法，其特征在于，第一(21；51)和第二(22；52)金属结构中至少有一个的表面经化学处理转换成电绝缘面或在表面涂有涂层，通过使二者产生相同的变形实现二者之间的空间形状连接(24)，其中，所述可转换的面位于两金属结构(21；22；51；52)之间，随后将可转换的表面或表面层转化为具有电绝缘性的陶瓷层(23；53)，由此在三维形状连接部分(24)之间形成一个几乎在各个方向上压入的绝缘层(23；53)。
9．如权利要求8所述的方法，其特征在于，将两块钢板(21；22)作为第一和第二金属结构叠合起来，其中至少一块板具有一个可经化学处理而转换为绝缘层的内表面，首先将两板沿一个第一方向一同弯曲，然后沿着一个与第一方向大至垂直的第二方向在第一次弯曲的较大变形的条件下对已弯曲相反再进行弯曲，由此在两板件之间产生一种三维形状连接结构，随后，用化学处理方法和/或热处理方法将可转换的内表面处理成陶瓷绝缘层。
10．一种使用如权利要求1所述的支座结构固定一个电加热催化净化转换器(1、2、3、4、5、6、7、8)的方法，其中，将支座结构(41，42；51，52；61，62；71，72)设置在催化净化转换器(1、2、3、4、5、6、7、8)的内腔或端侧，其设置形式是，第一(41；51；61；71)和第二(42；52；62；72)金属结构分别固定在相互电绝缘的第一、第二构件(3，4，8)上，从而使两构件相对固定。
11．如权利要求10所述的使用方法，其特征在于，电加热催化净化转换器(1、2、3、4、5、6、7、8)是一个在各个不同部分分别有一个电分割区(5、6、7)的导电蜂窝体(1、2)，为了电分割同时为了彼此之间的相对侧的固定将支座结构(41、42；61、62)设置在蜂窝体内腔，支座结构的第一金属结构(41；61)与一部分而第二金属结构(42；62)与另一部分金属固定连接。
12．如权利要求10所述的使用方法，其特征在于，电加热催化净化转换器(1、2、3、4、5、6、7、8)是一个在各个不同部分分别有一个电分割区(5、6、7)的导电蜂窝体(1、2)，其中，支座结构(71、72)设置在转换器(1、2、3、4、5、6、7、8)的端面处且各个部分相互支撑，其中支座的第一金属结构(71)与一部分(8)金属连接，而其第二金属结构(72)与另一部分(3)金属连接。
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