DE10018641A1 - Gehäuse mit keramischer Innenschicht für einen Katalysatorträgerkörper und Verfahren zur Herstellung eines Katalysator-Trägerkörpers mit einem solchen Gehäuse - Google Patents

Abstract

Gehäuse für einen Wabenkörper, umfassend ein Mantelrohr mit Innenwandung, wobei das Mantelrohr zur gezielten Veränderung einer fügetechnischen Verbindung mit dem Wabenkörper in mindestens einem Abschnitt der Innenwandung eine keramische Schicht aufweist. Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung eines Katalysator-Trägerkörpers mit einem Wabenkörper sowie einem erfindungsgemäßen Gehäuse angegeben. Ein derartig hergestellter Wabenkörper baut thermische Spannungen zwischen Wabenkörper und Gehäuse ab und gewährleistet bei der Herstellung insbesondere einen sicheren Lötprozeß auch im Vakuum.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Gehäuse, insbesondere ein Mantelrohr, für einen Wabenkörper. Derartige Wabenkörper werden als Katalysator-Trägerkörper bevorzugt in Abgassystemen von Brennkraftmaschinen, insbesondere von Kraftfahrzeugen, eingesetzt.

In der WO 99/37896 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Wabenkörpers beschrieben, der von einem Mantelrohr umgeben ist. Der Wabenkörper und das Mantelrohr weisen aufgrund ihrer unterschiedlichen Werkstoffeigenschaften und aufgrund unterschiedlicher Temperaturen im Betrieb einen differierendes thermisches Dehnungsverhalten auf. Es wird daher angestrebt, eine starre Verbindung zwischen dem Wabenkörper und dem Mantelrohr an wenigstens einem Endbereich des Wabenkörpers zu vermeiden. Aus diesem Grund ist der dort beschriebene ummantelte Wabenkörper mit einer Manschette ausgeführt, welche trotz fertigungstechnischer Toleranzen des Mantelrohres sowie des Wabenkörpers sicherstellen soll, daß direkte Lötverbindungen zwischen Wabenkörper und Mantelrohr in dem wenigstens einen Endbereich des Wabenkörpers vermieden werden. Die Verwendung einer Manschette führt zur deutlichen Reduktion thermischer Spannungen zwischen Mantelrohr und Wabenkörper, verursacht allerdings einen höheren Herstellungsaufwand.

Weiterhin sind Mittel bekannt, die eine Verbindung von Metalloberflächen während einer Hochtemperaturbearbeitung (wie beispielsweise dem Schweißen oder dem Löten) verhindern. Diese beinhalten zumeist feine keramische Teilchen, einen Binder, sowie einen Anteil an Verdünnungs- und Lösungsmittel. Der Binder sowie das Verdünnungs- und das Lösungsmittel sind schon bei relativ niedrigen Temperaturen flüchtig. Bei der Herstellung von Katalysator-Trägerkörpern erfolgt die Ausbildung der Verbindung zwischen Mantelrohr und Gehäuse bevorzugt im Vakuum, wobei die Tendenz dieser Mittel zur Verflüchtigung die Aufrechterhaltung des Vakuums deutlich erschwert.

Hiervon ausgehend, liegen der vorliegenden Erfindung die Aufgaben zugrunde, ein Gehäuse für einen Wabenkörper anzugeben, welches den Ausgleich des unterschiedlichen Dehnungsverhaltens von Wabenkörper und Mantelrohr ermöglicht und eine dauerhafte Fixierung des Wabenkörpers beispielsweise in einem Abgassystem gewährleistet sowie die Angabe eines Verfahrens zur Herstellung eines Katalysator-Trägerkörpers mit einem solchen Gehäuse.

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch ein Gehäuse mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Herstellung eines Katalysator- Trägerkörpers mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der jeweils abhängigen Ansprüche.

Das erfindungsgemäße Gehäuse für einen Wabenkörper umfaßt ein Mantelrohr mit einer Innenwandung, wobei das Mantelrohr zur gezielten Verhinderung einer fügetechnischen Verbindung mit dem Wabenkörper in mindestens einem Abschnitt der Innenwandung eine keramische Schicht aufweist.

Die keramische Schicht verhindert einen unerwünschten Fluß von Hartlötmaterial und damit ein Verbinden von aneinander liegenden Materialflächen. Der Abschnitt, auf welchem die keramische Schicht angebracht ist, befindet sich an der Stelle des Mantelrohres, an der im späteren Betrieb des Katalysator- Trägerkörpers eine Relativbewegung zwischen Wabenkörper und Mantelrohr gewünscht ist, um thermische Spannungen zu verhindern. Bevorzugt ist dies der Bereich, in dem das heiße Abgas auf den Katalysator-Trägerkörper trifft.

Weiterhin verhindert die keramische Schicht aufgrund ihrer isolierenden Eigenschaft eine Wärmeleitung vom Wabenkörper auf das Mantelrohr. Dies ist beispielsweise besonders wichtig, wenn nach einer möglichst kurzen Zeitspanne nach dem Start eines Automobils die Anspringtemperatur eines katalytischen Konverters erreicht werden soll, bei der eine effektive Reinigung des Abgases erfolgt.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die keramische Schicht als umlaufender Streifen ausgebildet. Dies gewährleistet, daß in diesem Abschnitt auf dem gesamten Umfang des Mantelrohres Lötverbindungen zwischen Mantelrohr und Wabenkörper vermieden und ein Ausgleich unterschiedlicher Dehnungsverhalten erlaubt werden.

Gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel hat die keramische Schicht eine axiale Länge von 5 mm bis 50 mm. Dies ermöglicht eine exakte Angleichung des Gehäuses an den jeweiligen Einsatzzweck. Ist das Gehäuse beispielsweise relativ dicht an einer Verbrennungskraftmaschine angeordnet oder divergieren die thermischen Dehnungsverhalten von Wabenkörper und Mantelrohr sehr stark, ist die keramische Schicht mit einer größeren axialen Länge ausgeführt.

Besonders vorteilhaft ist es, die keramische Schicht mit einer Dicke von 0.03 mm bis 0.12 µm auszuführen. Dies ermöglicht insbesondere den Ausgleich von Fertigungstoleranzen von Wabenkörper und Mantelrohr im zusammengefügten Zustand.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist die keramische Schicht aus Aluminiumoxid. Bei der Auswahl des Materials der keramischen Schicht ist darauf zu achten, daß dieses auch bei hohen Temperaturen, wie sie beispielsweise bei einem Lötprozeß auftreten, gegenüber dem Metall des Mantelrohres bzw. des Wabenkörpers thermodynamisch stabil ist. Besonders unempfindlich gegen hohe Temperaturen ist Aluminiumoxid. Eine keramische Schicht aus Titaniumoxid oder Magnesiumoxid ist ebenfalls möglich.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist zwischen Mantelrohr und der keramischen Schicht eine Haftschicht angeordnet. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die keramische Schicht einer hohen dynamischen Belastung ausgesetzt ist. Die Haftschicht ermöglicht eine dauerhafte Anbindung der keramischen Schicht an der metallischen Oberfläche des Mantelrohres.

Besonders vorteilhaft ist es, vor dem Zusammenbau mit einem Wabenkörper auf der keramischen Schicht des Mantelrohres eine Lotschicht anzuordnen. Die keramische Schicht verhindert zwar die Ausbildung von Lötverbindungen zwischen Wabenkörper und Mantelrohr. Besteht aber der Wabenkörper beispielsweise aus einer Vielzahl von durch Wickeln und/oder Stapeln erzeugte Blechlagen, so kann durch das auf der keramischen Schicht angeordnete Lot eine Lötverbindung benachbarter Enden der Blechlagen miteinander gewährleistet werden. Auf diese Weise wird ein Flattern von Endbereichen der Blechlagen vermieden und die Lebensdauer eines derartigen Wabenkörpers erhöht. Insbesondere die Ausbildung einer umlaufenden Lotschicht auf der keramischen Schicht hat zur Folge, daß alle benachbarten Blechlagen miteinander verlötet sind.

Gemäß einem weiteren erfinderischen Gedanken, ist ein Katalysator-Trägerkörper mit einem erfindungsgemäßen Gehäuse sowie einem Wabenkörper ausgeführt. Der Wabenkörper ist aus Blechlagen, die zumindest teilweise so strukturiert sind, daß der Wabenkörper für ein Abgas durchströmbare Kanäle aufweist. Der Katalysator-Trägerkörper zeichnet sich dadurch aus, daß das Mantelrohr den Wabenkörper wenigstens teilweise umschließt und in mindestens einem axialen Teilbereich mit dem Wabenkörper fügetechnisch verbunden ist. Die fügetechnische Verbindung von Wabenkörper und Mantelrohr stellt eine hohe Lebensdauer des Katalysator-Trägerkörpers sicher.

Besonders vorteilhaft ist es, die keramische Schicht nahe einer Stirnfläche des Wabenkörpers anzuordnen. Bei einer Orientierung des Katalysator-Trägerkörpers in einem Abgassystem, wobei der Abschnitt mit der keramischen Schicht zum heißen Abgas (stromaufwärts) ausgerichtet ist, kompensiert der Katalysator- Trägerkörpers besonders gut die hohe thermische Beanspruchung.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel liegen radial außenliegende Endbereiche der Blechlagen des Wabenkörpers an der keramischen Schicht an. Das Flattern dieser radial außenliegenden Endbereiche kann somit reduziert werden. Besonders vorteilhaft ist es, die anliegenden Endbereiche miteinander fügetechnisch zu verbinden. Dies stellt eine hohe Lebensdauer auch bei extremen dynamischen Belastungen sicher.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der Wabenkörper mit dem Mantelrohr verlötet, vorzugsweise hochtemperatur-vakuumverlötet.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Katalysator-Trägerkörpers mit einem Wabenkörper und einem Mantelrohr vorgeschlagen. Der Wabenkörper ist aus Blechlagen, die zumindest teilweise so strukturiert sind, daß der Wabenkörper für ein Abgas durchströmbare Kanäle aufweist. Das Mantelrohr weist eine Innenwandung auf, die den Wabenkörper wenigstens teilweise umschließt und die in mindestens einem axialen Teilbereich mit dem Wabenkörper verlötet ist. Das Mantelrohr weist in zumindest einem Abschnitt der Innenwandung eine keramische Schicht zur gezielten Verhinderung einer Lötverbindung mit dem Wabenkörper auf. Das Herstellungsverfahren umfaßt folgende Schritte.

Ausgehend von der Herstellung eines Mantelrohres wird anschließend eine keramische Schicht an der Innenwandung des Mantelrohres in mindestens einem Abschnitt ausgebildet. In diesem Abschnitt wird eine Lötverbindung von Mantelrohr und Wabenkörper bei einem später folgenden Lötprozeß verhindert. Bevorzugt ist dieser Abschnitt nahe einer Stirnfläche des Wabenkörpers im eingebrachten Zustand angeordnet. Anschließend erfolgt das Beloten der Innenwandung des Mantelrohres.

Der Wabenkörper wird in bekannter Weise durch Stapeln und/oder Wickeln von Blechlagen ausgebildet, die zumindest teilweise so strukturiert sind, daß der Wabenkörper für ein Abgas durchströmbare Kanäle aufweist. Der Wabenkörper wird nun in das Mantelrohr eingebracht. Danach werden die Lötverbindungen ausgebildet. Auf diese Weise kann ein Katalysator-Trägerkörper hergestellt werden, welcher sich einerseits durch eine dauerhafte Verbindung von Wabenkörper und Mantelrohr auszeichnet, andererseits aber auch einen Ausgleich unterschiedlichen Dehnungsverhaltens von Wabenkörper und Mantelrohr zuläßt. Dabei entstehen bei dem Lötprozeß keine Dämpfe oder Gase, welche eine Ausbildung von Lötverbindungen, insbesondere in einem Vakuum, beeinträchtigen.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird vor dem Ausbilden der keramischen Schicht auf dem betreffenden Abschnitt der Innenwandung des Mantelrohres eine Haftschicht aufgebracht. Dies führt zu einer besonders stabilen Verbindung von der keramischen Schicht mit dem Mantelrohr. Diese Haftschicht weist bevorzugt keine flüchtigen Komponenten auf, um einen sicheren Lötprozeß zu gewährleisten.

Besonders vorteilhaft ist es, die keramische Schicht mittels Flammspritzen auf dem Mantelrohr auszubilden. Das Flammspritzen zeichnet sich durch eine besonders gleichmäßige Verteilung der keramischen Schicht auf der Innenwandung des Mantelrohres aus, wodurch Druckspitzen in dem Mantelrohr aufgrund der anliegenden Metallagen vermieden werden.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird vor dem Beloten der Innenwandung des Mantelrohres insbesondere auf der keramischen Schicht, ein Haftmedium zur Erzeugung einer Lotschicht aufgebracht. Das Haftmedium hat die Aufgabe, das Lotpulver an den Stellen des Mantelrohres zu fixieren, an denen beim späteren Lötprozeß eine Lötverbindung ausgeführt werden soll. Das Haftmedium auf der keramischen Schicht gewährleistet somit die Anordnung von Lotpulver im Bereich des Wabenkörpers, an dem eine Verbindung mit dem Mantelrohr unerwünscht ist. Diese Lotschicht dient der späteren Verlötung benachbarter Blechlagen des Wabenkörpers miteinander.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird während oder nach dem Einbringen des Wabenkörpers in das Mantelrohr auf dem Wabenkörper stirnseitig Lotpulver aufgebracht. Auf diese Weise werden die Endbereiche der Blechlagen nahe der Stirnseite miteinander verlötet und die Lebensdauer eines derartig hergestellten Katalysator-Trägerkörpers erhöht.

Weitere Einzelheiten des erfindungsgemäßen Katalysator-Trägerkörpers und eines Verfahrens zu dessen Herstellung werden anhand der in den Zeichnung dargestellten besonders bevorzugten Ausführungsbeispiele erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung von Mantelrohr und Wabenkörper eines erfindungsgemäßen Katalysator-Trägerkörpers;

Fig. 2 eine stirnseitige Ansicht einer gefügten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Katalysator-Trägerkörpers;

Fig. 3 eine schematische Darstellung des Schichtaufbaus bei einem erfindungsgemäßen Gehäuse.

Fig. 1 zeigt einen Wabenkörper 4 mit einer Stirnseite 12. Der Wabenkörper weist mehrere durch Wickeln und/oder Stapeln erzeugte Blechlagen 9 auf. Der Wabenkörper 4 wird in ein Mantelrohr 1 eingebracht. Das Mantelrohr weist eine Innenwandung 2 auf, welche einen Abschnitt 14 mit einer keramischen Schicht 3 aufweist. Der Abschnitt 14 hat eine Länge 5, wobei der Abschnitt 14 im gefügten Zustand des Katalysator-Trägerkörpers nahe der Stirnfläche 12 des Wabenkörpers 4 angeordnet ist. Auf dem Abschnitt 14 ist zusätzlich eine Lotschicht 7 dargestellt.

Nachdem der Wabenkörper 4 in das Mantelrohr 1 eingebracht wurde, erfolgt das Ausbilden der Lötverbindungen. Der Wabenkörper 4 ist dann in dem Teilbereich 11 mit dem Mantelrohr 1 fügetechnisch verbunden. Die keramische Schicht 3 verhindert im Abschnitt 14 eine Verbindung des Wabenkörpers 4 mit dem Mantelrohr 1, so daß in diesem Abschnitt 14 das unterschiedliche thermische Ausdehnungsverhalten kompensiert werden kann. Die Lotschicht 7 sorgt dafür, daß die Blechlagen 9 miteinander verbunden sind.

Fig. 2 zeigt eine stirnseitige Ansicht des erfindungsgemäßen Katalysator- Trägerkörpers. Das Mantelrohr 1 umschließt eine Vielzahl von Blechlagen 9, wobei diese mit ihren Endbereichen 13 an dem Mantelrohr 1 anliegen. Die Blechlagen weisen gewellte und glatte Bleche 16 auf, wobei diese so angeordnet sind, daß für ein Abgas durchströmbare Kanäle 10 ausgebildet sind.

Fig. 3 zeigt schematisch den Aufbau eines erfindungsgemäßen Gehäuses für einen Wabenkörper, wobei die Anordnung verschiedener Schichten (3, 6, 7) im Abschnitt 14 des Mantelrohres 1 dargestellt ist. Auf der Innenwandung 2 des Mantelrohres 1 ist eine Haftschicht 6 angeordnet, welche eine dauerhafte Anbindung der keramischen Schicht 3 am Mantelrohr 1 sicherstellt. Die keramische Schicht 3 weist eine Dicke 8 auf, welche entsprechend den Anforderungen den Katalysator-Trägerkörper variabel ist. Auf der keramischen Schicht 3 ist zusätzlich eine Lotschicht 7 dargestellt, welche eine Verbindung benachbarter Endbereiche 13 der Blechlagen 9 sicherstellt.

Ein solcher Katalysator-Trägerkörper ermöglicht den Ausgleich unterschiedlichen Dehnungsverhaltens von Wabenkörper und Mantelrohr, wobei die Herstellung eines solchen Katalysator-Trägerkörpers einen sicheren Lötprozeß gewährleistet, insbesondere auch beim Hochtemperatur-Vakuumlötprozeß.

Bezugszeichenliste

1

Mantelrohr

2

Innenwandung

3

keramische Schicht

4

Wabenkörper

5

Länge

6

Haftschicht

7

Lotschicht

8

Dicke

9

Blechlage

10

Kanal

11

Teilbereich

12

Stirnfläche

13

Endbereich

14

Abschnitt

15

Haftmedium

16

Blech

Claims (18)

1. Gehäuse für einen Wabenkörper (4), umfassend ein Mantelrohr (1) mit Innenwandung (2), dadurch gekennzeichnet, daß das Mantelrohr (1), zur gezielten Verhinderung einer fügetechnischen Verbindung mit dem Wabenkörper (4), in mindestens einem Abschnitt (14) der Innenwandung (2) eine keramische Schicht (3) aufweist.

2. Gehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die keramische Schicht (3) als umlaufender Streifen ausgebildet ist.

3. Gehäuse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die keramische Schicht (3) eine axiale Länge (5) von 5 mm bis 50 mm hat.

4. Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die keramische Schicht (3) eine Dicke (8) von 30 µm bis 120 µm hat.

5. Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die keramische Schicht (3) aus Aluminiumoxid ist.

6. Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Mantelrohr (1) und der keramischen Schicht (3) eine Haftschicht (6) angeordnet ist.

7. Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf der keramischen Schicht (3) eine Lotschicht (7) angeordnet ist.

8. Gehäuse nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Lotschicht (7) umlaufend auf der keramischen Schicht (3) ausgebildet ist.

9. Katalysator-Trägerkörper mit einem Gehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 8 und mit einem Wabenkörper (4) aus Blechlagen (9), die zumindest teilweise so strukturiert sind, daß der Wabenkörper (4) für ein Abgas durchströmbare Kanäle (10) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Mantelrohr (1) den Wabenkörper (4) wenigstens teilweise umschließt und in mindestens einem axialen Teilbereich (11) mit dem Wabenkörper (4) fügetechnisch verbunden ist.

10. Katalysator-Trägerkörper nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die keramische Schicht (3) nahe einer Stirnfläche (12) des Wabenkörpers (4) angeordnet ist.

11. Katalysator-Trägerkörper nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß radial außenliegende Endbereiche (13) der Blechlagen (9) des Wabenkörpers (4) an der keramischen Schicht (3) anliegen.

12. Katalysator-Trägerkörper nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die an der keramischen Schicht (3) anliegenden Endbereiche (13) miteinander fügetechnisch verbunden sind.

13. Katalysator-Trägerkörper nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Wabenkörper (4) mit dem Mantelrohr (1) verlötet, vorzugsweise hochtemperatur-vakuumverlötet, ist.

14. Verfahren zur Herstellung eines Katalysator-Trägerkörpers, mit einem Wabenkörper (4) aus Blechlagen (9), die zumindest teilweise so strukturiert sind, daß der Wabenkörper (4) für ein Abgas durchströmbare Kanäle (10) aufweist, mit einem Mantelrohr (1) mit Innenwandung (2), das den Wabenkörper (4) wenigstens teilweise umschließt und das in mindestens einem axialen Teilbereich (11) mit dem Wabenkörper (4) verlötet ist, wobei das Mantelrohr (1) in mindestens einem Abschnitt (14) der Innenwandung (2) mit einer keramische Schicht (3) zur gezielten Verhinderung einer Lötverbindung mit dem Wabenkörper (4) ausgeführt ist, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

• - Herstellen eines Mantelrohres (1);
• - Ausbilden einer keramischen Schicht (3) an der Innenwandung (2) des Mantelrohres (1) in mindestens einem Abschnitt (14), in welchem eine Lötverbindung von Mantelrohr (1) mit Wabenkörper (4) verhindert werden soll;
• - Beloten der Innenwandung (2) des Mantelrohres (1);
• - Ausbilden des Wabenkörpers (4) in bekannter Weise durch Stapeln und/oder Wickeln von Blechlagen (9), die zumindest teilweise so strukturiert sind, daß der Wabenkörper (4) für ein Abgas durchströmbare Kanäle (10) aufweist;
• - Einbringen des Wabenkörpers (4) in das Mantelrohr (1);
• - Ausbilden der Lötverbindungen.

15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei vor dem Ausbilden der keramischen Schicht (3) auf dem Abschnitt (14) der Innenwandung (2) des Mantelrohres (1) eine Haftschicht (6) aufgebracht wird.

16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, wobei die keramische Schicht (3) mittels Flammspritzen auf dem Mantelrohr (1) ausgebildet wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei vor dem Beloten der Innenwandung (2) des Mantelrohres (1), insbesondere auf der keramischen Schicht (3), ein Haftmedium (15) zur Herstellung einer Lotschicht (7) aufgebracht wird.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, wobei während oder nach dem Einbringen des Wabenkörpers (4) in das Mantelrohr (1) auf den Wabenkörper (4) stirnseitig (12) Lotpulver aufgebracht wird.