CN100556558C - 用于空间不均匀地涂覆蜂窝体的方法和装置以及不均匀地涂履的蜂窝体 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于用一涂覆在一基体(1)上的涂层材料(2)涂覆一基体(1)，尤其涂覆一具有一流体可流过的蜂窝体的基体方法，其中，基体(1)中的涂层材料(2)的空间温度分布在涂覆时和/或在涂覆后是不均匀的，本发明还涉及一具有空间不均匀涂层厚度的基体和一用于不均匀地涂覆基体(1)的装置。本发明的特征是，可保证有效的催化，并节约不需要的位置处的多余的涂层材料。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于涂覆一基体，尤其是涂覆一具有一流体可流过的蜂窝体的基体的方法。这种经涂覆的蜂窝体特别用作用于内燃机的废气净化的催化转换器。
背景技术
已知的蜂窝体有大量基本上平行的通道通过，并且包括例如由一陶瓷成形体。作为陶瓷材料可采用例如堇青石、富铝红柱石或α氧化铝。挤出的基体基本上由堇青石制成，此时，在初始材料中可另外加入高岭土、氢氧化铝、氧化铝、滑石、碳颗粒等。还已知由多个部分地形成表面结构的并在必要时卷绕的薄板构成的金属蜂窝体。
考虑到废气中的有害物质的催化转换的高效性，需要提供尽可能大的蜂窝体催化活性接触面积。在催化转换时，特别重要的是下列有害物质：氮的氧化物、不饱和碳氢化合物、一氧化碳等。为了具有高效性，蜂窝体有很高的通道密度，例如已知具有上达1500cpsi(单元每平方英寸)的单元密度的金属蜂窝体。
可这样来实现催化活性表面的进一步扩大，即用所谓的载体涂料(Washcoat)涂覆比较光滑的通道壁，所述载体涂料有一有非常多裂缝的表面。所述裂缝的表面一方面保证提供足够大的空间以固定催化剂(例如铂、铑等)，另一方面提供一大的用于催化流过的废气的表面，此时形成与催化剂的特别强烈的接触。
已经知道，促进催化的大表面的载体涂料涂层的涂覆按这样的方式进行，即将蜂窝体浸入一液态的载体涂料分散体中，或用所述液态载体涂料分散体对蜂窝体进行喷涂。接着，去掉多余的载体涂料分散体，干燥蜂窝体中的载体涂料，并在最后在通常超过450℃的温度下煅烧。在煅烧时，载体涂料分散体的挥发性组成部分被排出，从而形成一具有大的比表面积的耐热的和促进催化的层。在必要时，此过程可多次重复，以达到希望的涂层厚度。
载体涂料通常包括一种过渡系的氧化铝和至少一种促进剂氧化物(Promoteroxid)例如稀土氧化物、氧化锆、氧化镍、氧化铁、氧化镓和氧化钡的混合物。
迄今为止通常希望，载体涂料分散体在涂覆在蜂窝体上时必须有一尽可能均匀的流动特性，以便在整个通道长度上得到希望的均匀的涂层厚度。尤其是如同目前发展趋势所追求的那样，在通道截面非常小时，也应得到特别均匀的厚度。
不过，在催化转换器中一个重要的成本因素是涂层材料尤其是催化活性物质如贵金属的费用。
发明内容
由此，本发明的目的是，提供一种用于涂覆一基体的方法、一种基体以及用于涂覆一基体的装置，其中可以可靠地提供对有害物质的有效催化并节省成本。
所述目的通过这样一种用于用一涂覆在一基体上的涂层材料涂覆所述基体的方法来实现，其中，基体中的涂层材料的空间温度分布在涂覆时和/或在涂覆后是不均匀的。所述目的还通过这样一种用于用一涂层材料用所述方法涂覆一基体的装置来实现，所述装置包括一涂覆装置和至少一个温度确定装置，其中，借助所述涂覆装置能够将所述涂层材料涂覆到基体上，而借助所述温度确定装置能够在涂覆涂层材料之前或之中形成涂层材料空间不均匀的温度分布，其中，所述涂覆装置设有至少两个温度确定装置，以在基体中形成空间不均匀的温度分布。
在按照本发明的用于用一种涂覆在基体上的涂层材料涂覆基体，尤其是可流过流体的蜂窝体的方法中，基体中涂层材料的空间温度分布在涂覆时和/或在涂覆后是不均匀的。
借助涂层材料的不均匀分布，在涂覆过程中，形成基体中涂层材料的空间不均匀粘度。由于涂层材料的粘度是取决于温度的，因此，可通过涂层材料不均匀的温度分布影响涂层材料从基体上的流下，并由此调节变化的涂层厚度。由此，空间的不均匀温度分布导致空间的不均匀层厚分布。
借助这种方法可以以有利的方式使涂层厚度适应催化的要求，尤其是适应催化的空间分布。尤其是其中只进行比其它区域少的催化转换的区域，要设置比其中进行主要的催化转换的其它区域少的涂层材料。由此，可减少涂层材料的费用，同时保证有效的催化转换。
例如在基体的流入侧选择比流出侧厚的涂层厚度，因为，按照本发明，在流入侧按百分数有比流出侧多的有害物质要催化转换，从而在流入侧需要比流出侧厚的涂层材料厚度。由此，节约了流出侧的涂层材料。
此外，基体内部的涂层厚度可以选择成使其沿径向从内向外减小。由此也可以借助较大的层厚保证在高催化活性区域内进行完全的催化，并通过较小的涂层厚度节约低催化活性区域内的涂层材料。
在按照本发明的方法的一种实施形式中，空间温度分布沿基体的轴向是不均匀的。沿基体的轴向的空间温度分布在所述方向上促使形成相应的粘度分布，由此形成一与该粘度分布相对应的涂层厚度分布。
借助沿基体轴向的变化的涂层厚度可以影响催化的空间轮廓。催化可集中在确定的空间区域内或保持远离所述区域。还可以通过预先给定催化的空间分布而控制催化的起始特性。
例如，催化集中在基体的前部区域(沿流体的流动方向)，会使得催化的绝大部分只在基体的一部分中进行。催化器的这部分由于其相对于整个基体较小的热惯性而达到催化起动所需要的点火温度，因为只要使较少的质量达到所要求的点火温度。由此，可以形成特别有利的催化转换器的起始特性。
沿流动方向位于后面的区域保证有害物质的完全转换。所述区域在催化器的热状态特别重要。不过，所述区域只需要较少的催化活性材料，因为有害物质量的大部分已经在流入侧被转换。
有利的是，空间温度分布沿基体的径向是不均匀的。涂层厚度的这种不均匀性是因为这样的情状，即待净化的流体(例如废气)的流动速度在基体的中部区特别大，从而在中部区必须转换特别多的有害物质。在所述中部区内较厚的涂层使得形成一较大的用于催化转换的表面积，并由此在催化转换器的所述区域内也确保有效的催化转换。
在边缘区流动速度较小，并且只需转换较少的有害物质。换句话说，由于待净化的流体的流剖面轮廓，在通道截面积相同时，一边缘上的通道一定转换比催化转换器中部通道少的有害物质。由于这个原因，在边缘区需要较小的涂层厚度。通过在边缘处的较小的涂层厚度，可以节约起催化作用的材料如贵金属的费用。
如果空间不均匀的温度分布的温度差为至少2℃，尤其是至少为5℃，则有利的是。但特别优选的是至少为15℃，由此，会特别强烈地形成由于不同的温度而引起的粘度差别。有利的是，出现至少为1％，尤其是至少为3％，最好至少为10％的一种液态涂层材料的粘度差别。
在不均匀的温度分布中的温度差可通过局部冷却和/或加热基体形成。例如，基体可通过与一吸热体的接触而局部冷却。基体也可借助一红外灯或通过与一加热体接触而局部加热。
涂层材料的不均匀温度分布的温度差也可通过局部冷却和/或局部加热涂层材料形成。在这个变型方案中，不均匀的温度分布不是通过基体向涂层材料的传热形成，而是通过直接局部冷却或局部加热涂层材料形成。
这可以例如借助一红外灯或通过在基体上涂覆之前预先给定涂层材料的空间温度不均匀性实现。例如，在基体的中部区域喷涂比靠外的区域以冷的涂层材料。
有利的是，在不同的部位加热和/或冷却涂层材料和/或基体。例如，可以将基体夹紧在一加热体和一吸热体之间，从而在基体中在相应的加热体或吸热体的接触表面之间形成一温度梯度。
通过预先给定多个热源或冷源，可以在宽的界限内精确地规定基体中的涂层材料的温度分布。尤其是，可以由此调节变化的涂层厚度，所述涂层厚度允许有效的催化，同时降低所需涂层材料的费用。
在按照本发明的方法另一种实施形式中，在涂覆之前基体有一与涂层材料的温度不同的温度。通过材料的热容和基体向涂层材料的传热和传冷，会实现涂层材料的不均匀的热分布。
仅仅通过基体与涂层材料之间的温度差可以实现，涂层在流过基体时被加热(冷却)，并由此形成不均匀的温度分布。另一种方案是，基体在涂覆之前在其内部有一空间不均匀的温度分布。
可通过涂覆之前涂层材料与基体之间的温度差形成、通过在涂覆之前基体的空间温度分布、通过涂覆时局部加热/冷却或通过在涂覆之前涂层材料的空间不均匀性实现涂层材料空间不均匀的温度分布。通过这些可能的组合，可以在大的范围内改变或规定涂层材料的空间温度分布或涂层厚度的空间分布。
有利的是，基体可通过电磁辐射尤其是通过感应或微波局部加热。通过局部感应可这样来实现涂层材料的空间不均匀温度分布，即在涂覆前或涂覆时加热基体。
有利的是，可通过局部热接触加热和/或通过局部冷接触冷却基体。另一种方案为，借助一流体流局部加热或冷却基体和/或涂层材料。在借助流体流传热时，除热接触外，热对流也起很重要的作用。此外，可借助一红外灯尤其是通过热辐射局部加热或冷却基体和/或涂层材料。
通过必要时在不同的位置预先给定多个冷却源或热源，可以精确规定涂层材料的不均匀热分布并由此规定变化的涂层厚度。
在按照本发明的方法的一种特别的实施形式中，以液态尤其是作为悬浮体涂覆涂层材料。可例如借助一浸浴涂覆涂层材料或喷涂涂层材料。
可有利地采用一载体涂料作为涂层材料，其中载体涂料可有利地包括一种过渡系的氧化铝和至少一种促进剂氧化物例如稀土氧化物、氧化锆、氧化镍、氧化铁、氧化镓和氧化钡的混合物。这种载体涂料提供一裂缝的表面，所述表面一方面提供足够大的用于固定催化剂的空间，另一方面用于通过在流过的废气的扩散改善物质传送。涂层材料有利地包括起催化作用的物质(例如铂、铑等)，尤其是贵金属。
按照本发明的基体包括流体可流过的通道、一入口侧、一出口侧、一内部区域和一外侧区域，其中以一涂层材料的涂层厚度涂覆通道，并且由此其特征为，各通道的涂层厚度是不同的和/或涂层厚度沿通道是变化的。
通过所述不均匀的涂层厚度考虑了催化转换的空间分布，特别是确保在高催化活性的区域存在足够多的涂层材料，而在低催化活性的区域节省多余的涂层材料。因此与以前的观点相反，放弃了特别均匀的涂层材料，以得到一(与需要)特别相适应的、与实际发生的催化反应相匹配的涂层。由此一方面确保高效的催化转换，另一方面节约多余的、昂贵的涂层材料。
各通道之间涂层厚度可以是不同的，尤其是，在基体的中部比较靠外的区域厚。例如，涂层厚度从基体的中部起沿径向向外减小。
不过，涂层厚度也可沿通道变化，此时，涂层厚度最好基本上沿流动方向减小。
有利的是，涂层厚度沿通道从基体的入口侧至出口侧减小。由此，催化转换集中在基体的前部区域，并通过基体的后部区域保证特别完全的催化转换。
有利的是，涂层厚度从内部区域到外侧区域从一个通道到另一个通道逐渐减小。由此就考虑了待净化的流体的流剖面轮廓，并以对应于催化转换率的厚度涂覆涂层材料。在较少的流体流动并由此预期具有较低的催化活性的最外侧的区域中，节省了多余的涂层材料。
有利的是，涂层厚度基本上按线性降低。线性的空间涂层厚度变化可用简单的结构通过预先给定相应的冷源或热源而规定。此外，有利的是，涂层厚度基本上按指数降低。通过按指数的变化会特别多地节约涂层材料。
此处，涂层厚度的空间轮廓沿不同的空间方向可以是不同的。例如，涂层厚度可沿通道按指数减小，而沿径向则从内向外线性地减小，或者相反。
有利的是，涂层厚度按至少10％减小，最好按至少30％，特别优选按至少80％。从这些数字知道，借助本发明，涂层材料，尤其是特别昂贵的起催化作用的物质如贵金属可节约至少5％至至少40％。
按照本发明的用于用一涂层材料优选用按照本发明的方法涂覆一基体、尤其是涂层按照本发明的基体的装置包括一涂覆装置和至少一个温度确定装置，其中借助涂覆装置可将涂层材料涂覆到基体上，而借助温度确定装置则可以在涂覆涂层材料之前或之中形成涂层材料空间不均匀的温度分布。
涂覆装置可例如是一浸浴或一用于喷射涂层材料的喷嘴。温度确定装置可例如是一形式为一吸热体或加热体的热源或冷源，或一加热灯或一感应加热器。借助热传导、热对流或热辐射局部加热或冷却基体，从而可产生涂层材料空间不均匀的温度分布轮廓。借助所述装置，可以有控制地调整基体上的涂层材料的涂层厚度。例如，在高催化活性区，尤其是在基体的流入侧或在基体的内部区域设置特别多的涂层。
在按照本发明的装置的一种实施形式中，存在至少两个用于在基体中产生空间不均匀温度分布的温度确定装置。通过所述至少两个温度预先给定装置，可以产生一特别陡的温度梯度，由此，涂层厚度可以以特别强烈的程度变化。
附图说明
下面根据附图说明其它的优点和有利的实施形式，它们并不限制本发明，而只是对本发明进行说明。
在图中：
图1用透视斜视图示意地示出一按照本发明的蜂窝体，和
图2a、2b示意地示出按照本发明的用于涂覆一蜂窝体的方法的两个步骤。
具体实施方式
图1示出一按照本发明的设计成催化蜂窝体的基体1。基体1通过堆叠或层叠光滑层或波纹层的金属薄板而形成。基体1具有一内部区8和一外侧区9，以及一入口侧3和一出口侧4。入口侧3用作流体的流入侧。在入口侧3和出口侧4之间布置用于流体可以流过的通道5、5’。流体基本沿方向I流过通道5、5’流动。
通道5、5’由薄板16形成，所述薄板由具有变化的涂层厚度D的涂层材料2覆盖或涂覆。所述涂层厚度D沿流动通道从入口侧3至出口侧4逐渐减小，其中一按指数的轮廓曲线是优选的。涂层厚度D还沿径向向外从内部区8至外侧区9逐渐减小。此时，有利的是选择一基本上线性的变化分布。由此，涂层厚度D在一位置P1比一第二位置P2厚，但是不如一第三位置P3那样厚。
图2a和2b示出按照本发明的用于用一涂层材料2涂覆一基体1的方法，利用一设计成浸浴的涂覆装置11将所述涂层材料涂覆到基体1上。为此，基体1夹紧在一第一温度确定装置12与一第二温度确定装置13之间，从而通过基体1与设计成加热体的第二温度确定装置13之间的热接触6，热从第二温度确定装置13传至基体1上，并通过基体1与第一温度确定装置12之间的冷接触7，冷从第一温度确定装置12传至基体1上。两个温度确定装置之间的温度差有利地为5℃。
借助两个温度确定装置以沿通道5的方向I形成基体1不均匀的温度分布。涂覆装置11包括一具有涂层材料2的浴，所述浴借助一第三温度确定装置14达到一规定的温度。接着，将基体1浸入涂层材料2中(图2b)，以使涂层材料2渗透到基体1的通道5中。最后，从浴中取出基体1。
通过浸入之前的基体1中的不均匀温度分布轮廓和第三温度确定装置14的温度来精确地调整涂层厚度D的空间轮廓。尤其是，由此在基体1上得到相应的不均匀温度分布，所述温度分布决定涂层材料2的相应粘度。
通过从设计成浸浴的涂覆装置11中快速取出，涂层材料2对应于在不同的空间位置P1、P2、P3的粘度以不同的速度流下，并由此形成空间不均匀的涂层厚度D。
本发明涉及一种用于用一涂覆在基体1上的涂层材料2涂覆一基体1，尤其是涂覆一流体可流过的蜂窝体的方法，其中基体1中的涂层材料2的空间温度分布在涂覆时和/或在涂覆后是不均匀的，本发明还涉及一具有空间不均匀的涂层厚度的基体和一种用于的不均匀地涂覆基体1的装置。
本发明的特征在于，可保证有效的催化，并节约不需要的位置处的多余的涂层材料。
参考标号表
1 基体 12 第一温度确定装置
2 涂层材料 13 第二温度确定装置
3 入口侧 14 第三温度确定装置
4 出口侧 15 接触
5、5’通道 16 薄板
6 热接触 P1 第一位置
7 冷接触 P2 第二位置
8 内部区域 P3 第三位置
9 外侧区域 D 涂层厚度
11 涂覆装置 I 方向
Claims (17)
1.用于用一涂覆在一基体(1)上的涂层材料(2)涂覆所述基体(1)的方法，其中，基体(1)中的涂层材料(2)的空间温度分布在涂覆时和/或在涂覆后是不均匀的。
2.如权利要求1的方法，其特征为，所述空间温度分布沿所述基体(1)的轴向是不均匀的。
3.如权利要求1或2的方法，其特征为，所述空间温度分布沿所述基体(1)的径向是不均匀的。
4.如权利要求1或2的方法，其特征为，温度差至少为2℃。
5.如权利要求1或2的方法，其特征为，通过局部冷却和/或局部加热基体(1)形成温度差。
6.如权利要求1或2的方法，其特征为，通过局部冷却和/或局部加热涂层材料(2)形成温度差。
7.如权利要求1或2的方法，其特征为，在不同的位置(P1，P2，P3)加热和/或冷却所述涂层材料(2)和/或基体(1)。
8.如权利要求1或2的方法，其特征为，基体(1)在涂覆之前有一与涂层材料(2)的温度不同的温度。
9.如权利要求1或2的方法，其特征为，基体(1)在涂覆前有一空间不均匀温度分布。
10.如权利要求1或2的方法，其特征为，通过电磁辐射局部加热基体(1)。
11.如权利要求1或2的方法，其特征为，通过热辐射局部加热基体(1)和/或涂层材料(2)。
12.如权利要求1或2的方法，其特征为，通过局部热接触(6)加热基体(1)和/或通过局部冷接触(7)冷却基体(1)。
13.如权利要求1或2的方法，其特征为，借助一流体流局部加热或冷却基体(1)和/或涂层材料(2)。
14.如权利要求1或2的方法，其特征为，以液态形式涂覆涂层材料(2)。
15.如权利要求1或2的方法，其特征为，采用一载体涂料作为涂层材料(2)。
16.如权利要求1或2的方法，其特征为，涂层材料(2)具有起催化作用的物质。
17.用于用一涂层材料(2)用如权利要求1或2的方法涂覆一基体(1)的装置，包括一涂覆装置(11)和至少一个温度确定装置(12、13、14)，其中，借助所述涂覆装置(11)能够将所述涂层材料涂覆到基体(1)上，而借助所述温度确定装置(12、13、14)能够在涂覆涂层材料(2)之前或之中形成涂层材料(2)空间不均匀的温度分布，其特征为，设有至少两个温度确定装置(12、13、14)，以在基体(1)中形成空间不均匀的温度分布。
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