DE102009036990A1

DE102009036990A1 - Wabenkörper mit Wärmespeicher

Info

Publication number: DE102009036990A1
Application number: DE102009036990A
Authority: DE
Inventors: Ludwig Wieres; Ferdi Kurth; Hubertus Kotthoff; Michael Voit; Sacha Bilz
Original assignee: Emitec Gesellschaft fuer Emissionstechnologie mbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2009-08-12
Filing date: 2009-08-12
Publication date: 2011-02-17

Abstract

Wabenkörper (1) umfassend zumindest ein Gehäuse (2) und wenigstens eine Wabenstruktur (3), welche mit zumindest einer wenigstens teilweise strukturierten Lage (4) gebildet ist, die eine Vielzahl von Kanälen (5) bilden, und welche im Gehäuse (2) angeordnet ist, wobei weiter mindestens ein metallischer Wärmespeicher (6) vorgesehen ist, der in der wenigstens einen Wabenstruktur (3) angeordnet ist. Weiter ist insbesondere eine Vorrichtung (18) aufweisend wenigstens einen Brenner (19) und einen solchen Wabenkörper (1) betroffen, wobei der Wabenkörper (1) mit einem Abstand (20) kleiner 100 mm zum wenigstens einen Brenner (19) angeordnet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wabenkörper umfassend zumindest ein Gehäuse und wenigstens eine Wabenstruktur, welche mit zumindest einer wenigstens teilweise strukturierten Lage gebildet ist, die eine Vielzahl von Kanälen bildet.
Solche Wabenkörper werden beispielsweise zur Abgasnachbehandlung eingesetzt, insbesondere in mobilen und/oder stationären Abgasreinigungsanlagen. Dabei dienen diese Wabenkörper beispielsweise als Trägerkörper für eine katalytisch aktive Beschichtung, als Adsorber, als Partikelabscheider, als Strömungsmischer etc.
Da dieser Wabenkörper über einen längeren Zeitraum einem Abgas ausgesetzt ist, in dem regelmäßig auch Festkörper (Ruß, Asche etc.) mitgeführt werden, besteht die Gefahr, dass sich zumindest einige der Kanäle wenigstens teilweise zusetzen. Um dies zu verhindern, werden Wabenkörper beispielsweise auch gezielt, wiederholt regeneriert. Eine Möglichkeit hierfür ist, dass der Wabenkörper mittels eines Brenners auf eine Temperatur gebracht wird, die eine Umsetzung der Feststoffe oder anderer schädlicher bzw. unerwünschter Abgasbestandteile ermöglicht. Gerade bei (Diesel-)Abgasanlagen, die üblicherweise mit einer relativ geringen Betriebstemperatur betrieben werden, z. B. unterhalb von 400°C, kann eine solche kurzzeitige Aufheizung des Wabenkörpers auf Temperaturen von beispielsweise oberhalb 700°C eine Umsetzung bzw. Oxidation der Rußpartikel gewährleisten.
Gerade wenn solche Wabenkörper thermisch regeneriert werden, müssen diese in der Lage sein, die enormen thermischen Belastungen dauerhaft zu kompensieren.
Dabei ist es wünschenswert, die Wabenkörper in möglichst geringer Nähe zu einem solchen Brenner zu positionieren, gleichzeitig aber auch deren thermische Wirkung gezielt zu beeinflussen.
Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Wabenkörper anzugeben, der insbesondere für den beschriebenen Einsatzzweck geeignet ist. Der Wabenkörper soll möglichst preiswert herstellbar sein und gleichwohl eine Dauerfestigkeit im Hinblick auf thermisches und/oder dynamisches Wechselverhalten ermöglichen.
Diese Aufgaben werden gelöst mit einem Wabenkörper gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen werden in den abhängig formulierten Patentansprüchen angegeben. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller, Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren, erläutert die Erfindung und gibt zusätzliche Ausführungsbeispiele an.
Der erfindungsgemäße Wabenkörper umfasst zumindest ein Gehäuse und wenigstens eine Wabenstruktur. Die Wabenstruktur ist mit zumindest einer wenigstens teilweise strukturierten Lage gebildet, die eine Vielzahl von Kanälen bildet und die im Gehäuse angeordnet ist. Weiter ist mindestens ein metallischer Wärmespeicher vorgesehen, der in der wenigstens einen Wabenstruktur angeordnet ist.
Ein solcher Wabenkörper ist insbesondere (nur) aus metallischem Material (insbesondere einem hochtemperaturfesten, korrosionsbeständigen Stahl) gebildet. Das Gehäuse, beispielsweise ein Rohrabschnitt, begrenzt den Wabenkörper nach außen. Die Form des Gehäuses ist grundsätzlich beliebig, runde bzw. ovale oder eckige Gehäuse (betrachtet im Querschnitt) sind bevorzugt. Grundsätzlich ist möglich, dass in Richtung des Gehäuses bzw. einer Achse des Gehäuses mehrere Wabenstrukturen hintereinander ausgebildet sind. Zusätzlich oder alternativ dazu kann aber auch ein Wabenkörper dadurch gebildet werden, dass koaxial mehrere Wabenstrukturen (radial) benachbart angeordnet sind, beispielsweise nach Art von ringförmigen oder ähnlichen Querschnittsformen. Die mehreren Wabenstrukturen können sich hinsichtlich ihres Aufbaues, ihrer Funktion und/oder ihrer Größe voneinander unterscheiden.
Bevorzugt ist, dass eine solche Wabenstruktur mit einer Mehrzahl von Lagen gebildet ist. Die Lagen sind bevorzugt ebenfalls metallisch. Ganz besonders bevorzugt ist die Ausgestaltung einer Lage als Metallfolie. Darüber hinaus ist insbesondere bevorzugt, dass mehrere Stapel aus mindestens einer glatten und mindestens einer strukturierten Lage so gewunden bzw. gewickelt sind, dass diese eine Wabenstruktur bilden. Besonders bevorzugt ist, dass eine Vielzahl solcher Lagen eine Wabenstruktur ausbildet. Infolge der Struktur bzw. der aufeinander liegenden Abschnitte der teilweise strukturierten Lagen werden Kanäle begrenzt. Für den Fall, dass die Struktur beispielsweise eine Wellenstruktur ist, verlaufen solche Kanäle entlang der Wellen bzw. Täler. Damit sind insbesondere Wabenstrukturen beschrieben, die parallel zueinander verlaufende Kanäle ausbilden. Die Wabenstruktur bzw. die Lagen sind miteinander und/oder mit dem Gehäuse fügetechnisch verbunden, insbesondere versintert, gelötet und/oder verschweißt. Die Lagen können zusätzlich auch zumindest teilweise für das Fluid durchströmbar sein, also eine gewisse Porosität und/oder Strömungsöffnungen (Löcher etc.) aufweisen.
Darüber hinaus ist mindestens ein metallischer Wärmespeicher im Inneren der Wabenstruktur vorgesehen. Dieser metallische Wärmespeicher dient als thermische Masse. Der Wärmespeicher ist dabei insbesondere so anzupassen, dass die Wärmespeicherung radial von außen nach innen bzw. radial von innen nach außen beeinflusst wird. Bevorzugt ist dabei weiter, dass der Wärmespeicher aus einem einheitlichen Material gefertigt ist, insbesondere Stahl. Darüber hinaus wird auch bevorzugt, dass das Material des Wärmespeichers und des Gehäuses gleich oder zumindest sehr ähnlich ist. Insbesondere soll so auch ein gleiches thermisches Ausdehnungsverhalten von Gehäuse und Wärmespeicher erreicht werden. Bevorzugt ist die Bereitstellung eines einzelnen Wärmespeichers aber insbesondere auch die Anordnung von zwei, drei oder vier (insbesondere konzentrisch zueinander angeordneten) Wärmespeichern.
Besonders bevorzugt ist die Ausgestaltung des Wabenkörpers in der Art, dass der mindestens eine metallische Wärmespeicher einen Zentralspeicher umfasst, der eine Stirnfläche hat, die zumindest dem 50-fachen eines Kanalquerschnittes entspricht. Mit einem „Zentralspeicher” ist insbesondere ein metallischer Wärmespeicher gemeint, der im Zentrum des Wabenkörpers angeordnet ist. Bevorzugt ist beispielsweise die Ausgestaltung des Zentralspeichers nach Art eines Zylinders oder eines ähnlichen Formkörpers, der sich z. B. ausgehend von einer Anströmfläche des Wabenkörpers bis (etwa) zur Ausströmfläche des Wabenkörpers hin erstreckt. Der Wärmespeicher als Zentralspeicher kann massiv ausgeführt sein, dies ist aber nicht zwingend erforderlich. Um hierbei jedoch eine ausreichende Größe des Wärmespeichers bereitzustellen, wird auch vorgeschlagen, dass der Zentralspeicher eine Stirnfläche aufweist, die zumindest dem 50-fachen des Kanalquerschnittes der Wabenstruktur entspricht, insbesondere zumindest dem 100-fachen oder sogar dem 200-fachen eines Kanalquerschnittes. Die Stirnfläche kann dabei beispielsweise einen Durchmesser im Bereich von 20 mm bis 100 mm [Millimeter] aufweisen.
Ganz besonders bevorzugt ist die Ausführungsvariante, bei der der Zentralspeicher eine einseitig geschlossene Hülse ist. Diese einseitig geschlossene Hülse kann beispielsweise dadurch hergestellt werden, dass ein massiver, zylinderförmiger metallischer Körper mit einer Sackloch-Bohrung versehen wird. Dabei kann die Tiefe der Sacklochbohrung an die erforderlichen Bedürfnisse der Wärmespeicherung bzw. Wärmeableitung angepasst werden. Bevorzugt ist beispielsweise, dass die radial außen liegenden Wände eine Wandstärke im Bereich von nur einem Millimeter haben. Eine gleiche Wandstärke kann auch hin zur Stirnfläche des Zentralspeichers ausgebildet sein, dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich, insbesondere kann hier die Wandstärke deutlich größer ausgeführt werden, insbesondere zweimal oder zumindest viermal so dick. Jedenfalls sind auch andere Herstellungsmethoden möglich, wie z. B. die Bereitstellung eines Rohres, dass mit einem separaten Deckel verschlossen oder in entsprechender Weise abgedichtet wird.
Darüber hinaus wird als vorteilhaft angesehen, dass der mindestens eine metallische Wärmespeicher eine Innenfläche und eine Außenfläche hat, und an der Innenfläche und der Außenfläche eine Wabenstruktur angeordnet ist. Dies gilt insbesondere für den Fall, dass ein metallischer Wärmespeicher nach Art eines Kreisringes ausgebildet ist, der konzentrisch zum Zentralspeicher und/oder zum Gehäuse positioniert und in die Wabenstruktur integriert ist. Damit wird ein solcher metallischer Wärmespeicher radial innen und radial außen durch jeweils eine Wabenstruktur umgeben. Dabei ist der Wabenkörper bevorzugt so ausgebildet, dass diese selbsttragend ist, also ein entsprechender Verbund zwischen den Wabenstrukturen, dem Gehäuse und den metallischen Wärmespeichern gegeben ist. Insbesondere sollen die metallischen Wärmespeicher nur über die Wabenstruktur, bzw. die zumindest eine wenigstens teilweise strukturierte Lage mit dem Gehäuse verbunden sein.
Des Weiteren wird als vorteilhaft angesehen, dass an dem mindestens einen metallischen Wärmespeicher mindestens vier Lagen befestigt sind. Dabei ist bevorzugt, dass sich beispielsweise eine glatte Metallfolie und eine strukturierte Metallfolie an einer Position des Umfanges des betrachteten Wärmespeichers fixiert, insbesondere verlötet bzw. verschweißt sind, während eine weitere glatte Folie und eine strukturierte Metallfolie an einer beabstandeten Position, insbesondere einer gegenüberliegenden Position, an dem Wärmespeicher befestigt ist. Darüber hinaus bevorzugt ist, dass eine Vielzahl solcher Paare von glatten Metallfolien und strukturierten Metallfolien über den Umfang gleichmäßig verteilt an einem metallischen Wärmespeicher befestigt sind. Ausgehend von diesen Befestigungspunkten verlaufen die Lagen in eine Windungsrichtung um den Wärmespeicher herum, wobei sie mit zunehmendem Abstand zum Wärmspeicher aneinander teilweise anliegen können. Durch die gleichmäßige bzw. mehrfache Anordnung bzw. Befestigung der Lagen an dem Wärmespeicher wird der Verbund aus Wabenstruktur und Wärmespeicher verbessert, wobei insbesondere die Gefahr eines Teleskopierens des Wabenkörpers (also das axiale Verschieben von Teilen der Wabenstruktur und/oder des Wärmespeichers) reduziert wird.
Ganz besonders bevorzugt ist die Ausgestaltung eines Wabenkörpers, bei dem zumindest eine der folgenden Eigenschaften erfüllt ist:

– glatte Metallfolien und strukturierte Metallfolien bilden eine Wabenstruktur,
– eine Kanaldichte der mindestens einen Wabenstruktur beträgt zumindest 100 cpsi,
– eine Lagendicke der wenigstens teilweise strukturierten Lage beträgt zumindest 110 μm,
– der Wabenkörper hat einen Außendurchmesser von mindestens 200 mm.

Ganz bevorzugt ist, dass der Wabenkörper alle diese Eigenschaften hat. Im Hinblick auf die Kanaldichte ist bevorzugt, dass diese 200 cpsi nicht übersteigt. Die Angabe der Kanaldichte in „cpsi” (cells per square inch) ist üblich und beschreibt die Anzahl der Kanäle pro Einheitsquerschnittsfläche. Die Lagendicke sollte, insbesondere wenn es sich um Metallfolien handelt, bevorzugt im Bereich von 110 μm bis 200 μm [Mikrometer] liegen, vorzugsweise zwischen 200 μm und 250 μm. Die hier vorgeschlagenen Maßnahmen zur Wärmespeicherung bzw. zur Wärmeverteilung innerhalb des Wabenkörpers kommen bei solchen in besonderem Maße zur Geltung, der einen sehr großen Außendurchmesser hat, beispielsweise auch von zumindest 300 mm [Millimeter].
Im Hinblick auf das eingangs geschilderte Problem der thermischen Regeneration solcher Wabenkörper wird hier nun auch ein entsprechender konkreter Einsatz vorgeschlagen.
Demnach betrifft die Erfindung auch eine Vorrichtung aufweisend wenigstens einen Brenner und einen Wabenkörper nach einer der hier erfindungsgemäß beschriebenen Ausführungsvarianten, wobei der Wabenkörper mit einem Abstand kleiner 100 mm [Millimeter] zum wenigstens einen Brenner angeordnet ist. Grundsätzlich kann natürlich auch ein größerer Abstand eingehalten werden, aber gerade bei solchen kleinen Abständen ist der Effekt der Wärmespeicherung der Wärmeverteilung besonders signifikant. Grundsätzlich können natürlich mehrere Brenner eingesetzt werden, in der Regel wird aber ein Brenner vorgesehen sein, der zentral gegenüberliegend zum Wabenkörper bzw. dem Zentralspeicher angeordnet ist. Ein „Brenner” umfasst insbesondere die Zufuhr eines Oxidationsmittels (z. B. Kraftstoff, Kohlenwasserstoff-Verbindungen etc.), wobei dieses Brennstoffgemisch in unmittelbarer Nähe bzw. vor dem Wabenkörper verbrannt wird. Dabei ist auch möglich, dass sich ein Flammenbereich ausbildet, der sich bis hin zum Wabenkörper oder sogar zumindest teilweise dort hindurch erstreckt.
Bei einer solchen konkreten Ausgestaltung der Vorrichtung ist bevorzugt, dass die Ausgestaltung des mindestens einen metallischen Wärmespeichers so erfolgt, dass bei einer Aufheizung des Wabenkörpers mit dem wenigstens einen Brenner für mindestens 20 Sekunden von zumindest einer Temperatur von 700°C

a) eine gemittelte Maximaltemperatur des zumindest einen metallischen Wärmespeichers von höchstens 600°C, und
b) eine gemittelte Haltetemperatur des zumindest einen metallischen Wärmespeichers von zumindest 400°C nach zumindest 40 Sek. nach der Deaktivierung des wenigstens einen Brenners noch

Damit wird hier klar eine Lehre zur Dimensionierung solcher Wärmespeicher vorgegeben. Insbesondere ist hierbei zu prüfen, ob zunächst eine Bereitstellung eines einzelnen Zentralspeichers ausreichend ist, um die vorstehend beschriebenen Eigenschaften zu erfüllen. Falls dies nicht der Fall ist, können weitere, insbesondere konzentrisch zum Zentralspeicher angeordnete Wärmespeicher vorgesehen sein.
Zur Prüfung, ob das gewünschte thermische Verhalten tatsächlich vorliegt, kann die Vorrichtung entsprechend ihren Betriebsbedingungen betrieben werden. Dabei erfolgt beispielsweise zunächst das Verbrennen des Kraftstoffes in unmittelbarer Nähe vor dem Wabenkörper mit dem tatsächlich geplanten Abstand. Der Brenner wird dann beispielsweise für genau 20 Sekunden betrieben, so dass der Wabenkörper zumindest einer Temperatur von 700°C für die Zeitspanne von 20 Sekunden ausgesetzt ist. Dann ist zu bestimmen, bis zu welchen Maximaltemperaturen sich im Mittel der metallische Wärmespeicher erwärmt hat. Hier ist bevorzugt, dass sich während (und nach) des Heizens eine gemittelte Maximaltemperatur des Wärmespeichers (oder sogar des gesamten Wabenkörpers) von höchstens 600°C einstellt, insbesondere maximal 530°C.
Weiterhin ist das thermische Verhalten des Wabenkörpers so einzustellen, dass die gemittelte Haltetemperatur des Wärmespeichers sehr langsam reduziert wird, so dass insbesondere die gemittelte Haltetemperatur selbst nach 40 weiteren Sekunden nach Beendigung der Heizphase immer noch wenigstens 400°C beträgt, insbesondere sogar zumindest 450°C oder sogar 500°C. Die lange Haltezeit der gemittelten Haltetemperatur führt dazu, dass hier in der Wabenstruktur bzw. dem Wabenkörper für die Umsetzung von Feststoffen im Wabenkörper positivere Bedingungen (Temperatur) geschaffen werden. Dabei kann eine kurze Heizphase (weniger Kraftstoffverbrauch, geringe thermische Belastung) gleichwohl eine umfassende, lang anhaltende Regenerierung solcher Wabenkörper zur Folge haben. Im gleichen Umfang können so auch katalytisch motivierte Umsetzungsprozesse begünstigt werden.
Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren besonders bevorzugte Ausführungsvarianten der Erfindung aufzeigen, diese jedoch nicht darauf beschränkt ist. Es zeigen schematisch:
1: eine erste Ausführungsvariante eines Wabenkörpers,
2: eine zweite Ausführungsvariante eines Wabenkörpers,
3: eine dritte Ausführungsvariante eines Wabenkörpers in stirnseitiger Ansicht,
4: ein Detail eines Wabenkörpers,
5: ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung mit einem Brenner und einem Wabenkörper, und
6: ein Diagramm betreffend den Temperaturverlauf beim Betrieb einer Vorrichtung.
Die 1 zeigt in einem Querschnitt eine Ausführungsvariante eines Wabenkörpers 1. Der Wabenkörper 1 wird radial außen durch ein einzelnes rohrförmiges, zylindrisches Gehäuse 2 begrenzt. In dem Gehäuse 2 ist eine einzelne Wabenstruktur 3 vorgesehen, hier insbesondere ausgeführt nach Art eines Kreisringes. Im zentralen Bereich ist zudem ein einzelner metallischer Wärmespeicher 6 nach Art eines Zentralspeichers 7 ausgeführt. Der Zentralspeicher 7 ist hier eine einseitig geschlossene Hülse 10, wobei die Hülse 10 eine geschlossene Stirnfläche 8 aufweist, die zumindest dem 50-fachen eines Kanalquerschnittes entspricht. Damit sind zwischen dem Zentralspeicher 7 und dem Gehäuse 2 eine Vielzahl von parallel zueinander verlaufender Kanäle 5 gebildet, die insbesondere für ein Fluid, wie einem Abgas, durchströmbar sind. Die Ausrichtung der einseitig geschlossenen Hülse 10 erfolgt dabei so, dass die geschlossene Stirnfläche 8 dem eintretenden Abgas entgegensteht (Strömungsrichtung des Abgases hier von oben nach unten).
2 zeigt im Wesentlichen einen Grundaufbau eines Wabenkörpers 1, wie er in 1 beschrieben ist. Zusätzlich ist hierzu aber ein ringförmig ausgebildeter zweiter metallischer Wärmespeicher 6 vorgesehen, der in den Wabenstrukturen 3 zwischen dem zentralen Wärmespeicher 6 und dem Gehäuse 2 befestigt ist. Dieser zylinderförmige Wärmespeicher 6 weist eine Innenfläche 11 und eine Außenfläche 12 auf. Sowohl die Innenfläche 11 als auch die Außenfläche 12 dienen zur Befestigung der Wabenstrukturen 3 bzw. der sie bildenden, zumindest teilweise strukturierten Lagen. Weiterhin ist bevorzugt, dass die Wärmespeicher 6 (und gegebenenfalls auch das Gehäuse 2) eine Wandstärke 23 aufweisen, die zumindest 1 mm [Millimeter] beträgt, gegebenenfalls aber auch deutlich dicker ausgeführt sein kann.
3 zeigt nun eine stirnseitige Ansicht (z. B. in Strömungsrichtung des Abgases) einer weiteren Ausführungsvariante des Wabenkörpers 1. Dieser ist grundsätzlich beispielsweise nach Art des Wabenkörpers 1 aus 2 aufgebaut, wobei hier ein zweiter, ringförmiger Wärmespeicher 6 ausgebildet ist. Der Zentralspeicher 7 und die zwei konzentrisch dazu angeordneten metallischen Wärmespeicher 6 bilden jeweils die gleiche Distanz zueinander bzw. auch hin zum Gehäuse 2 aus. Gerade eine solche Anzahl von Wärmespeichern 6 ist vorgegeben, wenn der Außendurchmesser 17 des Wabenkörpers 1 besonders groß ist, beispielsweise größer als 300 mm. Von dieser Ansicht aus kann auch erkannt werden, dass eine Vielzahl von Kanälen 5 vorgegeben ist, die eine Kanaldichte 15 ausbilden.
In 4 ist ein Detail für eine Ausführungsvariante eines Wabenkörpers 1 aufgezeigt, wobei hier die Wabenstruktur mit glatten Metallfolien 13 und gewellten Metallfolien 14 gebildet ist. Diese sind miteinander verlötet und bilden Kanäle 5 aus. Hierbei ist auch dargestellt, dass der Kanalquerschnitt 9 senkrecht zu den Kanälen 5 betrachtet wird. Gerade in diesem Fall wird eine Lagendicke 16 von 110 μm bis 300 μm [Mikrometer] vorgeschlagen. Es ist klar, dass die strukturierte Metallfolie 13 auch eine andere Struktur als die hier dargestellte Wellenform bilden kann.
In 5 ist nun der grundsätzliche Aufbau einer Vorrichtung 18 mit einem Brenner 19 und dem erfindungsgemäßen Wabenkörper 1 schematisch angedeutet. Daraus lässt sich einfach erkennen, dass der Wabenkörper 1 im thermischen Einzugsbereich des Brenners 19 mit einem geringen Abstand 20 angeordnet ist. Die Strömungsrichtung des Abgases wäre hier insbesondere von links nach rechts. Der Betrieb des Brenners 19 kann dabei durch eine Steuereinheit und eine Kraftstoffversorgung gewährleistet werden, wobei in regelmäßigen Abständen oder zu konkret vorgegebenen Zeitpunkten eine Erhitzung des Wabenkörpers 1 durch Betrieb des Brenners 19 erreicht wird.
In 6 wird nunmehr das thermische Verhalten des erfindungsgemäßen Wabenkörpers veranschaulicht. Dargestellt sind in diesem Diagramm einerseits die Temperaturachse 24 und die Zeitachse 25. Mit einer dicken gestrichelten Linie ist der Brennertemperaturverlauf 30 dargestellt. Damit ist insbesondere ein Temperaturverlauf gemeint, der sich unmittelbar im Einwirkbereich des Brenners 19 ausbildet, z. B. unmittelbar vor dem Wabenkörper. Es ist zu erkennen, dass ab dem Aktivierungszeitpunkt 27 des Brenners sehr schnell eine Aufheizung stattfindet, z. B. auf eine Heiztemperatur 26 von oberhalb 700°C oder in der Spitze sogar oberhalb von 800°C. Dann kann erkannt werden, dass ab dem Deaktivierungszeitpunkt des Brenners 28 der Brennertemperaturverlauf 30 wieder abfällt, und zwar relativ steil, bis er etwa seine Ausgangstemperatur wieder erreicht hat. Der Zeitraum zwischen dem Aktivierungszeitpunkt des Brenners 27 und dem Deaktivierungszeitpunkt des Brenners 28 kann als Heizphase bezeichnet werden. Die dabei erreichte Heiztemperatur 26 beträgt insbesondere mindestens 700°C.
Benachbart zu dem Brennertemperaturverlauf 30 ist mit einer dünnen Strich-Punkt-Punkt-Linie ein erster Wabenkörpertemperaturverlauf 31 dargestellt, wobei hier z. B. keine metallischen Wärmespeicher vorgesehen sind. Es ist zu erkennen, dass dieser erste Wabenkörpertemperaturverlauf 31 dem Brennertemperaturverlauf 30 sehr dicht folgt, insbesondere im Hinblick auf die Aufheizrate bzw. die Abkühlrate, die maximalen Temperaturen und/oder den zeitlichen Versatz. Dies führt zu einer relativ hohen thermischen Beanspruchung des gesamten Wabenkörpers und nur einer sehr kurzen Zeitphase, in der eine Regeneration bzw. Umsetzung von Schadstoffen ermöglicht ist.
Der dargestellte zweite Wabenkörpertemperaturverlauf 32 betrifft nunmehr einen erfindungsgemäßen Wabenkörper 1 zum Vergleich, bei dem ein deutlich abweichendes thermisches Verhalten festgestellt werden kann. So ist als erstes festzuhalten, dass eine gemittelte Maximaltemperatur 21 dieses erfindungsgemäßen Wabenkörpers 600°C nicht überschreitet. Insbesondere wird hierbei also eine Maximaltemperatur bezüglich des Wabenkörpers erreicht, die signifikant geringer ist als die Heiztemperatur 26, beispielsweise um mindestens 100°C oder sogar um mindestens 150°C geringer. Mit dem Begriff „gemittelt” soll zum Ausdruck gebracht werden, dass hier eine mittlere Temperatur über den gesamten Querschnitt des Wärmespeichers betrachtet wird. Darüber hinaus zeichnet sich dieser zweite Wabenkörpertemperaturverlauf 32 durch seine sehr langsame (flache) Abkühlung aus. So wird insbesondere auch erreicht, dass die gemittelte Haltetemperatur 22 des zumindest einen metallischen Wärmespeichers von mindestens 400°C auch noch nach 40 Sekunden nach der Deaktivierung des wenigstens einen Brenners noch gegeben ist. Der Zeitraum von 40 Sekunden ergibt sich insbesondere in der Zeitphase zwischen dem Deaktivierungszeitpunkt des Brenners 28 und einem (vorgegebenen) Haltezeitpunkt 29.
Mit dem hier erfindungsgemäß beschriebenen Wabenkörper lassen sich insbesondere folgende Vorteile einstellen:

– Durch die thermische Masse (Gestaltung und/oder Größe) des Wärmespeichers im Zentrum des Wabenkörpers kann die Wärmespeicherung bzw. Wärmeverteilung sehr genau und anwendungsspezifisch eingestellt werden.
– In Folge der Bereitstellung zusätzlicher thermischer Massen (bzw. zusätzlicher metallischer Wärmespeicher), die über den Durchmesser des Wabenkörpers verteilt angeordnet sind, kann die Wärmespeicherung weiter verbessert werden.
– Werden mehrere konzentrische metallische Wärmespeicher eingesetzt, können die dazwischen liegenden Wabenstrukturen verschieden ausgeführt sein.
– Die einzelnen Wabenkörper können dann auch mit einer unterschiedlichen Anzahl von Metallfolien ausgeführt und an dem metallischen Wärmespeicher befestigt werden, wodurch die Stabilität erhöht wird.
– Grundsätzlich können die einzelnen Wabenstrukturen mit unterschiedlichen Lagendicken oder Kanalgeometrien ausgeführt werden.
– Die Größe der thermischen Massen der metallischen Wärmespeicher kann so angepasst werden, dass die Wärmespeicherung von außen nach innen oder von innen nach außen beeinflusst wird.
– Die Erstreckung der metallischen Wärmespeicher kann sich über die gesamte Kanallänge oder einen Teil der Form erstrecken.
– Der Durchmesser der metallischen Wärmespeicher kann im Bereich von 20 mm bis 100 mm variiert werden.
– Sollten wandförmige, also nicht-massive, metallische Wärmespeicher eingesetzt werden, ist eine Wandstärke von 1 mm bis maximal 2 mm zu bevorzugen.
– Die Anzahl der metallischen Wärmespeicher kann anwendungsspezifisch variiert bzw. angepasst sein.
– Die Anzahl der angebundenen zumindest teilweise strukturierten Lagen pro metallischer Wärmespeicher beträgt mindestens 2, insbesondere mindestens 4, 8 oder sogar 16.

Generell erlaubt die mehrfache Anbindung der Lagen an den (mehreren) metallischen Wärmespeichern auch eine signifikante Verbesserung der Haltbarkeit solcher Wabenkörper. Wie zuvor auch schon allgemein dargestellt, erhöhen mehrere ringförmige Wärmespeicher die Stabilität von innen nach außen erheblich. Hier können unterschiedliche Wickeltechnologien und/oder Materialstärken und/oder Lagen je Wabenkörper bzw. Segment eingesetzt werden, so dass z. B. ein Anlagewinkel der Lagen zum Wärmespeicher variiert werden kann. So kann die Haltbarkeit und der Wärmeübergang gerade bei großen Wabenkörpern erheblich verbessert werden. Große Wabenkörper neigen dazu, sehr schnell zu telekopieren, bilden keine ausreichende Verbindung zum Gehäuse und/oder haben Toleranzprobleme, was sich mit dieser Erfindung deutlich verbessern wird.
Der Wabenkörper kann besonders preiswert hergestellt werden und weist gleichwohl eine Dauerfestigkeit im Hinblick auf thermisches und/oder dynamisches Wechselverhalten auf.
Bezugszeichenliste

1: Wabenkörper
2: Gehäuse
3: Wabenstruktur
4: Lage
5: Kanal
6: metallischer Wärmespeicher
7: Zentralspeicher
8: Stirnfläche
9: Kanalquerschnitt
10: einseitig geschlossene Hülse
11: Innenfläche
12: Außenfläche
13: glatte Metallfolie
14: strukturierte Metallfolie
15: Kanaldichte
16: Lagendicke
17: Außendurchmesser
18: Vorrichtung
19: Brenner
20: Abstand
21: Maximaltemperatur
22: Haltetemperatur
23: Wandstärke
24: Temperatur-Achse
25: Zeit-Achse
26: Heiztemperatur
27: Aktivierungszeitpunkt des Brenners
28: Deaktivierungszeitpunkt des Brenners
29: Haltezeitpunkt
30: Brennertemperaturverlauf
31: erster Wabenkörpertemperaturverlauf
32: zweiter Wabenkörpertemperaturverlauf

Claims

Wabenkörper (1) umfassend zumindest ein Gehäuse (2) und wenigstens eine Wabenstruktur (3), welche mit zumindest einer wenigstens teilweise strukturierten Lage (4) gebildet ist, die eine Vielzahl von Kanälen (5) bildet, und welche im Gehäuse (2) angeordnet ist, wobei weiter mindestens ein metallischer Wärmespeicher (6) vorgesehen ist, der in der wenigstens einen Wabenstruktur (3) angeordnet ist.
Wabenkörper (1) nach Patentanspruch 1, bei dem der mindestens eine metallische Wärmespeicher (6) einen Zentralspeicher (7) umfasst, der eine Stirnfläche (8) hat, die zumindest dem 50-fachen eines Kanalquerschnitts (9) entspricht.
Wabenkörper (1) nach Patentanspruch 2, bei dem der Zentralspeicher (7) eine einseitig geschlossene Hülse (10) ist.
Wabenkörper (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, bei dem der mindestens eine metallische Wärmespeicher (6) eine Innenfläche (11) und eine Außenfläche (12) hat und an der Innenfläche (11) und der Außenfläche (12) eine Wabenstruktur (3) ausgebildet ist.
Wabenkörper (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, bei dem an dem mindestens einen metallischen Wärmespeicher (6) mindestens 4 Lagen (4) befestigt sind.
Wabenkörper (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, bei dem zumindest eine der folgenden Eigenschaften erfüllt ist: – glatte Metallfolien (13) und strukturierte Metallfolien (14), die eine Wabenstruktur (3) bilden, – eine Kanaldichte (15) der mindestens einen Wabenstruktur (3) beträgt zumindest 100 cpsi, – eine Lagendicke (16) der wenigstens teilweise strukturierten Lage (4) beträgt zumindest 110 μm, – der Wabenkörper (1) hat einen Außendurchmesser (17) von mindestens 200 mm.
Vorrichtung (18) aufweisend wenigstens einen Brenner (19) und einen Wabenkörper (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei der Wabenkörper (1) mit einem Abstand (20) kleiner 100 mm zum wenigstens einen Brenner (19) angeordnet ist.
Vorrichtung (18) nach Patentanspruch 7, wobei die Ausgestaltung des mindestens einen metallischen Wärmespeichers (6) so erfolgt, dass bei einer Aufheizung des Wabenkörpers (1) mit dem wenigstens einen Brenner (19) für mindestens 20 Sekunden von zumindest einer Temperatur von 700°C a) eine gemittelte Maximaltemperatur (21) des zumindest einen metallischen Wärmespeichers (6) von höchstens 600°C, und b) eine gemittelte Haltetemperatur (22) des zumindest einen metallischen Wärmespeichers (6) von zumindest 400°C nach zumindest 40 Sekunden nach der Deaktivierung des wenigstens einen Brenners (19) noch gegeben ist.