DE102006034640A1

DE102006034640A1 - Filtermaterial eines Diesel-Abgasfilters und Wickelfilter aus diesem Material

Info

Publication number: DE102006034640A1
Application number: DE102006034640A
Authority: DE
Inventors: Andreas Enderich; Hans Gebert; Hans Waibel
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2006-07-24
Filing date: 2006-07-24
Publication date: 2008-01-31

Abstract

Ein Filtermaterial eines Diesel-Abgasfilters in der Form eines biegsamen, insbesondere spiralförmig wickelbaren Bahnenmaterials in einer zweilagigen Verbundstruktur, bei der eine ebene erste Bahn (1) mit einer gewellten zweiten Bahn (2) zur Ausbildung von quer zur Bahnenlängsrichtung verlaufenden, von den Wellen der zweiten Bahn (2) gebildeten Strömungskanälen (3) jeweils im Bereich der Wellentäler verbunden ist, soll bei betriebsgünstigen Eigenschaften kostengünstig herstellbar sein. Zu diesem Zweck zeichnet sich ein solches Filtermaterial durch folgende Merkmale aus: - Die ersten und zweiten Bahnen (1, 2) bestehen aus einem verdichteten Metallschaum als Basismaterial, in dessen Poren zusammen mit einem Binder eingebrachte, metallische Partikel lagern, wobei sowohl das Trägermaterial des Metallschaumes als auch der Binder aus unter Hitze verflüchtigbarem Material bestehen, - das Filtermaterial weist eine Sinterstruktur auf, die es durch ein Sintern in einem Zustand erhalten hat, in dem es zumindest bereits in der zweilagigen Verbundstruktur vorgelegen hat, wobei ein Vorsintern des noch nicht zu der Verbundstruktur geformt und gefügten, die Metallpartikel bereits enthaltenden Bahnenmaterials erfolgt sein kann.

Description

Die Erfindung betrifft ein Filtermaterial eines Diesel-Abgasfilters nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein aus diesem Material hergestelltes Wickelfilter.
Ein solches Filtermaterial ist beispielsweise aus WO 03/004438 A2 bekannt. Das Bahnenmaterial besteht dort aus verfestigtem, Keramikfasern enthaltendem Papierausgangsmaterial.
Aus US 5,486,220 A ist ein Abgasfiltermaterial aus, auf einem Metallschaum basierendem, mit Metallfasern verstärktem Filtermaterial bekannt.
Bekannt ist aus EP 0 798 452 B1 ferner ein Abgasfilter, das als Wickelfilter mit in einer zweigängigen Spirale aufgewickeltem Filterbahnmaterial ausgeführt ist. Jeder Spiralgang besteht aus jeweils zwei Bahnenmaterialien, nämlich einem ersten ebenen Bahnenmaterial und einem zweiten gewellten Bahnenmaterial. Als Filtermaterial dient dabei lediglich das ebene Bahnenmaterial, während das gewellte Material ledig lich als Abstandshalter zwischen den ebenen Bahnenmaterialien dient. Das ebene Bahnenmaterial, das von den beiden Bahnenmaterialien ausschließlich als Filtermaterial dient, besteht aus einem porig ausgebildeten Metall. Dabei kann das metallische Filtermaterial nach dem vorgenannten Dokument US 5,486,220 A eingesetzt sein.
Die Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, ein gattungsgemäßes Filtermaterial mit besonders guten Eigenschaften zu schaffen, das insbesondere kostengünstig herstellbar A ist.
Gelöst wird dieses Problem bei einem gattungsgemäßen Filtermaterial in erster Linie durch eine Ausbildung nach den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen dieses Filtermaterials sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 10.
Eine besonders vorteilhafte Verarbeitung des erfindungsgemäßen Filtermaterials zu einem Wickelfilter zeigt Anspruch 11 auf.
Vorteilhafte Ausgestaltungen eines solchen Wickelfilters enthalten die nachfolgenden Unteransprüche.
Die Erfindung beruht in erster Linie auf dem allgemeinen Gedanken, die einzelnen Bestandteile des Filtermaterials erst nach Fertigstellung der gattungsmäßig zweilagigen Verbund struktur des Filtermaterials zu einem betriebsfesten Zustand zu verfestigen. Auf dem gleichen Erfindungsprinzip beruht die Ausführung des aus dem erfindungsgemäßen Filtermaterial hergestellten Wickelfilters, das erst nach Fertigstellung des Wickelfilterkörpers gesintert wird, wobei dies der insgesamt einzige Sinterprozess bei der Filterherstellung sein kann.
Das als Metallschaum vorliegende Basismaterial besitzt üblicherweise Porengrößen, die zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Filtermaterials durch Einlagern von feinen Metallpartikeln in diese Poren zur Erzielung eines, für einen Betrieb des Filters notwendigen Abscheidegrad zu groß sind. Deshalb wird der Metallschaum als Ausgangsbasis bei einem erfindungsgemäßen Filtermaterial zur Verkleinerung der Porengröße verdichtet. Besonders vorteilhaft ist es, eine solche Verdichtung bereits vor dem Einlagern der mit Binder versetzten Metallpartikel vorzunehmen. Hierbei kann es allerdings problematisch sein, die mit Binder versetzten Metallpartikel ausreichend tief in die durch das Verdichten verkleinerten Poren einführen zu können.
Es ist daher auch möglich, die mit Binder versetzten Metallpartikel bereits in den unverdichteten Metallschaum als Ausgangsmaterial einzubringen und erst danach ein Verdichten vorzunehmen. In diesem Fall muss dafür gesorgt werden, dass entweder die mit Metallpartikeln ausgefüllten Poren noch ein zur Erzielung einer Verdichtung ausreichenden, unausgefüllten Freiraum besitzen oder dass ein Anteil des Binders beim Verdichten aus dem Metallschaum abgeführt, das heißt abgepresst werden kann.
Als einzubringende Metallpartikel eignet sich vorzugsweise austenitischer Stahl mit Chrom oder Nickel als Hauptlegierungskomponenten und zwar insbesondere in der Form von Pulver.
Liegt der Metallschaum mit eingelagerten, in Binder eingebetteten Metallpartikeln in verdichtetem Zustand als ein Filterbahnmaterial vor, so muss dieses zur Erzielung der erforderlichen Betriebseigenschaften gesintert werden. Bei diesem Sintern verflüchtigen sich die in dem verdichteten Metallschaum enthaltenen verflüchtigbaren Elemente, das heißt insbesondere der Binder, mit dem die Metallpartikel versetzt in den Metallschaum eingelagert worden sind. Vor einem solchen Sintern kann das Filterbahnmaterial als ein verformbarer Sinterrohling, der auch als Grünling bezeichnet wird, angesehen werden. In diesem Zustand ist das Filterbahnmaterial gut verformbar, das heißt es kann auf einfache Weise und ohne die Gefahr einer Beschädigung gewellt werden, um das erfindungsgemäße Verbundstrukturmaterial herstellen zu können. Sofern diese Verformbarkeit nicht gefährdet ist, kann der verdichtete, mit Metallpartikeln und Binder durchsetzte, bereits als Filtermaterialbahn vorliegende Metallschaum vorgesintert werden. Es erfolgt dann jedoch noch abschließend an dem zu einer Zweilagen-Verbundstruktur geformten und gefüllten Filtermaterial ein abschließendes Sintern. Bei diesem abschließenden Sintervorgang wird unter anderem die endgültige, feste Verbindung zwischen den beiden, die Verbundstruktur bildenden Filterbahnmaterialien dauerhaft hergestellt.
Werden an dem Filtermaterial in Verbundstruktur die an einer Seite endenden Strömungskanäle durch beispielsweise einen Bördelverschluss verschlossen, so wird dieser Bördelverschluss beim abschließenden Sintern dicht „versintert".
Wird aus dem erfindungsgemäßen Filtermaterial in Verbundstruktur ein Wickelfilter durch ein eingängiges, spiralförmiges Aufwickeln hergestellt, so geschieht das erfindungsgemäße, abschließende Sintern an dem bereits fertig zu einem Wickelkörper gewickelten Filtermaterial und zwar einschließlich der an gegenüberliegenden Enden jeweils erforderlichen Verschlüsse der Strömungskanäle.
Um innerhalb der Strömungskanäle ein besonders günstiges Strömungsverhalten zu erzielen, können diese Strömungskanäle jeweils in ihrer gesamten Länge sich konisch – von einem Ende aus gesehen – verjüngend ausgebildet sein, wobei diese konische Verjüngung bei sämtlichen Strömungskanälen des in Verbundstruktur vorliegenden Filtermaterials richtungsmäßig einsinnig erfolgt. Der Vorteil einer solchen Ausbildung besteht in einer Verringerung des innerhalb der zweilagigen Filterbahn-Verbundstruktur auftretenden Druckverlustes. Zu diesem Zweck sind bei einem Wickelfilter jeweils die Strömungskanalenden an den sich durch die konische Verjüngung ergebenden kleinen Öffnungen verschlossen.
Vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachstehend näher erläuterten Zeichnung dargestellt.
In dieser zeigen in jeweils perspektivischer Ansicht
1 einen Bahnenabschnitt aus erfindungsgemäßem Filtermaterial in zweilagiger Verbundstruktur,
2 einen gewickelten Grundkörper eines Wickelfilters,
3 einen Ausschnitt aus geschichtetem Bahnenfiltermaterial mit sich in Längsrichtung jeweils konisch verengenden Strömungskanälen,
4 die Stirnkanten einer endseitigen Öffnung eines Strömungskanals nach 3.
1
Das Filtermaterial ist als eine zweilagige Verbundstruktur ausgebildet und zwar aus einem ebenen ersten Bahnenmaterial 1 und einem welligen zweiten Bahnenmaterial 2. Beide Bahnenmaterialien 1, 2 sind miteinander verbunden, was nachstehend noch näher erläutert wird. Durch die Wellenform des zweiten Hahnenmaterials 2 bilden sich zwischen den beiden Hahnenmaterialien 1, 2 durchgehende Strömungskanäle 3 aus.
Ausgangsmaterial für beide Bahnenmaterialien 1, 2 ist jeweils ein Metallschaum, der in an sich bekannter Weise ausgebildet sein kann. Den Metallanteil bildet insbesondere Nickel, während das Schaum-Grundmaterial unter Hitze verflüchtigbar sein kann.
Der Metallschaum als Ausgangsmaterial kann Porendurchmesser von > 250 μm aufweisen. Zur Verkleinerung dieser Poren auf beispielsweise Porendurchmesser von weniger als 135 μm kann das Ausgangsmaterial durch Verpressen, das durch Walzen geschehen kann, verdichtet werden. Beispielsweise kann ein Metallschaum, der in einer Dicke von etwa 1,4 mm vorliegt, bis auf eine Dicke von etwa 0,3 mm verpresst, das heißt verdichtet werden. In einem solchen verdichteten Zustand ergeben sich Porendurchmesser von unterhalb 135 μm. In ein derart verdichtetes Metallschaum-Bahnenmaterial können sodann zur weiteren Verkleinerung der Porendurchmesser zusammen mit einem unter Hitze verflüchtigbaren Binder Metallpartikel mit insbesondere einem Partikeldurchmesser von etwa 10 μm in die Poren eingegeben, das heißt einfiltriert werden. In diesem Zustand liegt das erfindungsgemäße Filterbahnmaterial in der Form eines Grünlings als noch weiter zu behandelndes Vormaterial vor, das heißt in diesem Zustand ist das Filtermaterial noch nicht betriebsbereit.
Möglich ist es auch, die erforderliche Verkleinerung der Poren des Metallschaumes erst nach dem Einlagern der mit Binder versetzten Metallpartikeln durch ein entsprechendes Ver dichten des Metallschaumes vorzunehmen. Zur Erzielung der erforderlichen Verdichtung muss innerhalb des Metallschaumes Verdichtungsfreiraum verbleiben oder der mit den Metallpartikeln eingebrachte Binder muss zum Verdichten in einem zum Verdichten erforderlichen Maße nach außen abgeführt, d.h. insbesondere abgepresst werden.
Die Metallpartikel liegen vorzugsweise in der Form kleiner Kügelchen vor. Hierdurch wird das Einbringen in die Poren des Metallschaumes erleichtert.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform können die Strömungskanäle an einem ihrer Enden im wesentlichen mechanisch verschlossen sein und zwar durch eine Art Bördelverschluss. Erreicht wird dieser Bördelverschluss dadurch, dass die ebene erste Filtermaterialbahn 1 die gewellte zweite Filtermaterialbahn 2 an diesem Ende überragt, so dass mit Hilfe eines Umklappens dieses überragenden Bereiches ein Bördelverschluss 4 erzielt werden kann. Bei der Erzeugung dieses Bördelverschlusses 4 werden die unter dem umgeklappten, überstehenden Bereich der ersten Bahn 1 liegenden Wellenbereiche der zweiten Bahn 2 dicht zwischen dem umgeklappten Bereich und dem darunterliegenden Bereich der ersten Bahn 1 verpresst. Dicht bedeutet hier, dass Partikel, die bei Betrieb des Filters in diesem abgeschieden werden sollen, den Bördelverschluss nicht ohne weiteres durchdringen können. Der Verschluss muss im Prinzip nicht dichter sein als die Durchlässigkeit des Filtermaterials 1, 2 an sich.
Die eingangs erwähnte Verbindung der beiden Bahnen 1 und 2 kann durch Schweißen an längs der Kanäle 3 beabstandeten Stellen in der Form eines Heftens erfolgen.
In dem vorstehend beschriebenen Fertigungszustand des Filtermaterials wird dieses zur Erzielung seiner Betriebseigenschaften unter Hitze gesintert. Dieses Sintern bewirkt eine feste Bindung der in den Poren des Metallschaumes eingelagerten Metallpartikel. Das Sintern bewirkt auch den erforderlichen, hitzefesten und dauerhaften Verbund der einzelnen Filtermaterialien 1, 2 einschließlich deren Verbindungsmittel einschließlich eines eventuell vorhandenen Bördelverschlusses 4 eines Endbereiches der Strömungskanäle 3.
2
Aus dem Filtermaterial nach 1 kann ein Wickelfilter an sich bekannter Art, bei dem das Filtermaterial 1, 2 spiralförmig aufgewickelt ist, hergestellt werden. Eine solche Ausführung mit einer Aufwicklung des Filtermaterials 1, 2 in einer eingängigen Spirale zeigt 2.
Bei der Ausführung des Filtermaterials 1, 2 nach 1, bei der die Strömungskanäle 3 bereits einseitig verschlossen sind, ist beim Wickeln ein Verschluss der entgegengerichtet liegenden Enden derjenigen Strömungskanäle 5 vorzusehen, die sich beim Aufwickeln zwischen dem Filtermaterial 1, 2 bilden. Dieser Verschluss kann beispielsweise durch Aufbringen einer in 1 dargestellten Raupe 6 aus keramischem Pastenmaterial beim Wickeln erfolgen.
Wird aus dem erfindungsgemäßen Filtermaterial ein Wickelfilter erzeugt, so erfolgt das unter Hitze durchzuführende, erforderliche Sintern an dem fertigen Wickelkörper, der hierbei die endseitigen Strömungskanalverschlüsse in zumindest vorgefestigter Form bereits aufweist.
3, 4
Bei dem als ein Ausschnitt aus einem Wickelfilter dargestellten Filtermaterial weisen die innerhalb der Verbundstruktur 1, 2 liegenden Strömungskanäle 3 jeweils eine sich einsinnig in Längsrichtung konisch verjüngende Form auf. Durch diese Verjüngung des Querschnitts der Strömungskanäle 3 innerhalb der Verbundstruktur 1, 2 ergeben sich zwischen den Verbundstrukturen zwangsläufig gegensinnig komplementär geformte Strömungskanäle 5.

Claims

Filtermaterial eines Diesel-Abgasfilters in der Form eines biegsamen, insbesondere spiralförmig wickelbaren, Bahnenmaterials in einer zweilagigen Verbundstruktur, bei der eine ebene erste Bahn (1) mit einer gewellten zweiten Bahn (2) zur Ausbildung von quer zur Bahnenlängsrichtung verlaufenden, von den Wellen der zweiten Bahn (2) gebildeten Strömungskanälen (3) jeweils im Bereich der Wellentäler verbunden ist, gekennzeichnet durch die Merkmale, – die ersten und zweiten Bahnen (1, 2) bestehen aus einem verdichteten Metallschaum als Basismaterial, in dessen Poren zusammen mit einem Binder eingebrachte, metallische Partikel lagern, wobei sowohl das Trägermaterial des Metallschaumes als auch der Binder aus unter Hitze verflüchtigbarem Material bestehen, – das Filtermaterial weist eine Sinterstruktur auf, die es durch ein Sintern in einen Zustand erhalten hat, in dem es zumindest bereits in der zweilagigen Verbundstruktur vorgelegen hat, wobei ein Vorsintern des noch nicht zu der Verbundstruktur geformt und gefügten, die Metallpartikel bereits enthaltenden Hahnenmaterials erfolgt sein kann.
Filtermaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der, das Basismaterial des Bahnenmaterials darstellende Metallschaum vor und/oder nach dem Einlagern der in Binder eingebetteten, metallischen Partikel zu einem Verkleinern der Größe der ursprünglich in dem Metallschaum vorhandenen Poren verdichtet ist.
Filtermaterial nach Anspruch 10 der 2, gekennzeichnet durch zumindest im wesentlichen Nickel als metallischer Bestandteil des Metallschaumes.
Filtermaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eingebrachte Partikel aus insbesondere in Pulverform vorliegendem austenitischem Stahl mit Chrom und Nickel als Hauptlegierungselementen.
Filtermaterial nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die eingebrachten Metallpartikel im wesentlichen kugelförmig ausgebildet sind.
Filtermaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Durchmesser der metallischen Partikel von etwa 10 μm.
Filtermaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Porendurchmesser in dem gesinterten Bahnenmaterial (1, 2) bei etwa 10 bis 20 μm liegen.
Filtermaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Filtermaterialbahnen (1, 2) längs der zwischen ihnen ausgebildeten Strömungskanäle (3) zumindest bereichsweise miteinander verbunden, insbesondere verschweißt, sind.
Filtermaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere eines Wickelfilters, gekennzeichnet durch die Merkmale, – in der Verbundstruktur aus ebener erster und gewellter zweiter Bahn (1, 2) überragt die erste Bahn (1) die zweite Bahn (2) an einem Ende der zwischen diesen beiden Bahnen (1, 2) liegenden Strömungskanäle (3), – dieser überragende Bereich liegt um 180° geklappt auf der, von den Wellenbergen gebildeten Seite der zweiten Bahn (2) an, wobei das zweite Bahnenmaterial (2) zur Bildung eines Bördelverschlusses der betreffenden Strömungskanalenden verpresst ist.
Filtermaterial nach einem der vorhergehenden Filtermaterialansprüche, insbesondere eines Wickelfilters nach einem der nachfolgenden Wickelfilteransprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle Strömungskanäle (3) sich – von einem Ende aus gesehen – über deren jeweils gesamte Länge gleichsinnig etwa konisch erweitern.
Wickelfilter aus Filtermaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die innerhalb der Verbundstruktur liegenden Strömungskanäle (3) durch das, diese Verbundstruktur bildende Bahnenmaterial (1, 2) als Filtermedium mit durch das Wickeln zwischen dem Verbundstruktur-Filtermaterial gebildeten, parallelen, komplementären Strömungskanälen (5) kommunizieren, wobei die beiden unterschiedlichen Strömungskanäle (3, 5) jeweils an gegenüberliegenden Enden verschlossen sind, gekennzeichnet durch die Merkmale, – das in zweilagiger Verbundstruktur vorliegende Filtermaterial (1, 2) ist in der Form einer eingängigen Spirale gewickelt, – die Sinterstruktur resultiert aus einem Sintern an dem bereits gewickelten Filtermaterial, wobei ein Vorsintern des, die Metallpartikel bereits enthaltenden Bahnenmaterials (1, 2) und/oder des bereits in der zweilagigen Verbundstruktur vorliegenden Filtermaterials (1, 2) erfolgt sein kann.
Wickelfilter nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der endseitige Verschluss der zwischen dem jeweiligen Bahnenmaterial-Verbundstrukturen (1, 2) liegenden Strömungskanäle (5) aus insbesondere sinterfähigem, beim Wickeln der Bahnenmaterial-Verbundstruktur (1, 2) aufgebrachtem Verschlussmaterial (6) besteht.