DE102021214994A1

DE102021214994A1 - Verfahren zur Herstellung eines Rohrelements für eine Abgasbehandlungsvorrichtungund Vorrichtung zum Aufbringen eines Beschichtungsfilms

Info

Publication number: DE102021214994A1
Application number: DE102021214994.4A
Authority: DE
Inventors: Kodai KATO; Ryo Fujimura; Akifumi Nishio
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: Ngk Insulators Ltd Nagoya City Jp
Priority date: 2021-03-15
Filing date: 2021-12-23
Publication date: 2022-09-15
Also published as: JP2022141163A; US20220288624A1; CN115075915A

Abstract

Ein Verfahren zur Herstellung eines Rohrelements für eine Abgasbehandlungsvorrichtung gemäß mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der das Rohrelement einen aus einem Metall hergestellten rohrförmigen Hauptkörper und eine auf mindestens einer inneren Umfangsfläche des rohrförmigen Hauptkörpers gebildete Isolierschicht umfasst, wobei die Isolierschicht Glas enthält, umfasst die Schritte: Aufbringen eines Beschichtungsfilms, indem eine dem rohrförmigen Hauptkörper zugeführte Beschichtungsflüssigkeit zur Isolierschichtbildung mit einem Kontaktelement in Kontakt gebracht wird; und Brennen des Beschichtungsfilms, um die Isolierschicht zu erhalten.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Eine oder mehrere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen ein Verfahren zur Herstellung eines Rohrelements für eine Abgasbehandlungsvorrichtung und eine Vorrichtung zum Aufbringen eines Beschichtungsfilms.
2. Beschreibung des Stands der Technik
Zur Behandlung schädlicher Substanzen in einem von einem Fahrzeugmotor ausgestoßenem Abgas kommt ein Katalysatorträger zum Einsatz, der durch Aufbringen eines Katalysators auf einen Träger hergestellt wird. Für den Fall, dass eine Temperatur des Katalysators beim Starten des Motors zu niedrig ist, wird die Temperatur des Katalysators nicht auf eine vorbestimmte Temperatur erhöht, was in Folge dazu führt, dass das Abgas nicht ausreichend gereinigt wird. Um dieses Problem zu lösen, befassen sich die fortschreitenden Entwicklungen einer Abgasbehandlungsvorrichtung mit dem Einsatz eines elektrisch beheizten Katalysators (engl. EHC), bei dem ein leitfähiger Träger zwecks Wärmeerzeugung mit Energie versorgt wird, um so vor oder bei dem Start des Motors die Temperatur des auf dem Träger aufgebrachten Katalysators bis auf seine aktive Temperatur hin zu erhöhen.
In der Abgasbehandlungsvorrichtung ist der EHC typischerweise innerhalb eines rohrförmigen Elements aus Metall (manchmal auch als „Dose“ bezeichnet) angeordnet. Der EHC kann beim Start des Fahrzeugs eine hohe Reinigungsleistung in Bezug auf das Abgas aufweisen, wobei allerdings Elektrizität aus dem EHC in die umliegenden Abgasleitungen abgleitet wird, was in einigen Fällen zum Versagen führt, z. B. in Form einer Verringerung der Reinigungsleistung. Um dieses Problem zu lösen, lehrt das japanische Patent mit Nr. 5408341 und die japanische Patentanmeldung mit Nr. 2012-154316, dass elektrische Leckströme durch die Ausbildung einer Isolierschicht auf einer inneren Umfangsfläche des Rohrelements verhindert werden kann.
Frühere Fachliteratur

Patentdokument 1 JP Patent Nr. 5408341
Patentdokument 2 JP Patentanmeldung Nr. 2012-154316

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Isolierschicht kann üblicherweise durch Auftragen einer Beschichtungsflüssigkeit zum Aufbringen eines Beschichtungsfilms und durch Brennen des Beschichtungsfilms hergestellt werden. Im Hinblick auf besonders herausragende Isoliereigenschaften ist es beispielsweise erforderlich, die Dicke des aufzutragenden Beschichtungsfilms zu erhöhen. Wird die Dicke erhöht, verringert sich in einigen Fällen allerdings die Ausbeute bei der Herstellung des Beschichtungsfilms.
Eine oder mehrere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wurden im Hinblick auf die oben beschriebenen Probleme mit dem Ziel entwickelt, eine Isolierschicht unter Einhaltung einer hohen Ausbeute auszubilden.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Rohrelements für eine Abgasbehandlungsvorrichtung gemäß mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der das Rohrelement einen aus einem Metall hergestellten, rohrförmigen Hauptkörper und eine auf mindestens einer inneren Umfangsfläche des rohrförmigen Hauptkörpers gebildete Isolierschicht umfasst, wobei die Isolierschicht Glas enthält, umfasst die Schritte: Aufbringen eines Beschichtungsfilms, indem eine dem rohrförmigen Hauptkörper zugeführte Beschichtungsflüssigkeit zur Isolierschichtbildung mit einem Kontaktelement in Kontakt gebracht wird; und Brennen des Beschichtungsfilms, um die Isolierschicht zu erhalten.
In mindestens einer Ausführungsform weist die Beschichtungsflüssigkeit zur Isolierschichtbildung eine Viskosität von 10 dPa·s oder mehr auf.
In mindestens einer Ausführungsform erfolgt der Kontakt mit dem Kontaktelement während der rohrförmige Hauptkörper und/oder das Kontaktelement gedreht wird, wobei eine Längsrichtung des rohrförmigen Hauptkörpers eine Drehachse ist.
In mindestens einer Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner einen Schritt zum Erwärmen des rohrförmigen Hauptkörpers.
In mindestens einer Ausführungsform weist die Isolierschicht eine Dicke von 30 µm bis 800 µm auf.
In mindestens einer Ausführungsform besteht das Kontaktelement aus einem nachgiebigen Material mit einer Shore-Härte A zwischen 30 und 50. Das Kontaktelement kann derart ausgestaltet sein, dass es eine Anpassung des Anpressdrucks des Kontaktelements gegen die innere Umfangsfläche des rohrförmigen Hauptkörpers gestattet.
In mindestens einer Ausführungsform besteht das Kontaktelement aus einem Harz mit einer Rockwellhärte auf der Härteskala R zwischen 85 und 110. Das Kontaktelement kann in einem vorbestimmten Abstand von dem rohrförmigen Hauptkörper angeordnet sein.
Eine Vorrichtung zum Aufbringen eines Beschichtungsfilms gemäß mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst: eine Dreheinheit, die eingerichtet ist, einen aus einem Metall hergestellten, rohrförmigen Hauptkörper zu fixieren und diesen zu drehen, wobei eine Längsrichtung des rohrförmigen Hauptkörpers eine Drehachse ist; eine Zuführungseinheit, die eingerichtet ist, einer inneren Umfangsfläche des rohrförmigen Hauptkörpers eine Beschichtungsflüssigkeit zur Isolierschichtbildung in Richtung zuzuführen; und ein Kontaktelement, das innerhalb des rohrförmigen Hauptkörpers angeordnet ist, wobei das Kontaktelement eingerichtet ist, mit der Beschichtungsflüssigkeit zur Isolierschichtbildung in Kontakt gebracht zu werden.
In mindestens einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung außerdem eine Heizeinheit, die eingerichtet ist, den rohrförmigen Hauptkörper zu erwärmen.
In mindestens einer Ausführungsform besteht das Kontaktelement aus einem nachgiebigen Material mit einer Shore-Härte A zwischen 30 und 50. Das Kontaktelement kann derart ausgestaltet sein, dass es eine Anpassung des Anpressdrucks des Kontaktelements gegen die innere Umfangsfläche des rohrförmigen Hauptkörpers gestattet.
In mindestens einer Ausführungsform besteht das Kontaktelement aus einem Harz mit einer Rockwellhärte auf der Härteskala R zwischen 85 und 110. Das Kontaktelement kann in einem vorbestimmten Abstand von dem rohrförmigen Hauptkörper angeordnet sein.
Gemäß mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Isolierschicht unter Einhaltung einer hohen Ausbeute ausgebildet werden.
Figurenliste

1 zeigt eine Schnittdarstellung zur Veranschaulichung eines Rohrelements, das in einer Abgasbehandlungsvorrichtung gemäß mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden soll.
2 zeigt eine schematische Ansicht zur Veranschaulichung des Gesamtaufbaus einer Vorrichtung zum Aufbringen eines Beschichtungsfilms gemäß mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 zeigt eine schematische Ansicht zur Veranschaulichung der positionellen Anordnung zwischen einem rohrförmigen Hauptkörper und einem Kontaktelement in einer ersten Ausführungsform.

4 zeigt eine schematische Ansicht zur Veranschaulichung einer positionellen Anordnung zwischen einem rohrförmigen Hauptkörper und einem Kontaktelement in einer zweiten Ausführungsform.
5 zeigt eine schematische Ansicht zur Veranschaulichung einer positionellen Anordnung zwischen einem rohrförmigen Hauptkörper und einem Kontaktelement in einer dritten Ausführungsform.
6 zeigt eine schematische Ansicht zur Veranschaulichung einer positionellen Anordnung zwischen einem rohrförmigen Hauptkörper und einem Kontaktelement in einer vierten Ausführungsform.
7 zeigt eine schematische Ansicht zur Veranschaulichung einer positionellen Anordnung zwischen einem rohrförmigen Hauptkörper und einem Kontaktelement in einer fünften Ausführungsform.
8 zeigt eine schematische Schnittdarstellung zur Veranschaulichung des schematischen Aufbaus der Abgasbehandlungsvorrichtung gemäß mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
9 zeigt eine Ansicht der Abgasbehandlungsvorrichtung aus 8 aus Richtung des Pfeils IX.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Im Folgenden werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht als auf diese Ausführungsformen beschränkt zu verstehen.
1 zeigt eine Schnittdarstellung zur Veranschaulichung eines Rohrelements, das in einer Abgasbehandlungsvorrichtung gemäß mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden soll. Ein Rohrelement 100 umfasst einen rohrförmigen, aus einem Metall hergestellten Hauptkörper 110 und eine auf dem rohrförmigen Hauptkörper 110 ausgebildete Isolierschicht 120.
Der rohrförmige Hauptkörper 110 weist einen geraden Abschnitt 111 mit zylindrischer Form und einen Abschnitt mit verringertem Durchmesser 112 auf, dessen Innendurchmesser sich in Richtung einer ersten Endfläche 110a (linke Seite oder stromaufwärtige Seite in 1) kontinuierlich verringert. Zusätzlich zu einem solchen Abschnitt mit verringertem Durchmesser kann dieser beispielsweise mit einem weiteren Element (nicht dargestellt) kombiniert werden, um eine komplizierte Struktur auszubilden. Insbesondere ist ein sich von der ersten Endfläche 110a aus erstreckender Erstreckungsabschnitt 113 am Endabschnitt des geraden Abschnitts 111 auf der Seite der ersten Endfläche 110a ausgebildet und der Abschnitt mit verringertem Durchmesser 112 ist von dem Erstreckungsabschnitt 113 umgeben. Ferner können der Erstreckungsabschnitt 113 und ein weiteres Element (nicht dargestellt), innerhalb dessen der Abschnitt mit verringertem Durchmesser 112 angeordnet werden kann, zusammengefügt werden, um so eine komplizierte Struktur auszubilden.
Als Material für die Herstellung des rohrförmigen Hauptkörpers 110 kommen beispielsweise Edelstahl, eine Titanlegierung, eine Kupferlegierung, eine Aluminiumlegierung und Messing in Frage. Von diesen Werkstoffen ist Edelstahl aufgrund seiner hohen Dauerfestigkeit und seiner geringen Kosten zu bevorzugen.
Die Dicke des rohrförmigen Hauptkörpers 110 kann unter dem Gesichtspunkt der Dauerfestigkeit beispielsweise zwischen 0,1 mm und 10 mm, zwischen 0,3 mm und 5 mm oder zwischen 0,5 mm und 3 mm betragen. Die Länge des rohrförmigen Hauptkörpers 110 kann entsprechend der Größen, Anzahl und der Anordnung der darin anzuordnenden Objekte, wie z. B. eines später beschriebenen Katalysatorträgers, der Verwendungszwecke und dergleichen festgelegt werden. Die Länge des rohrförmigen Hauptkörpers kann beispielsweise zwischen 30 mm und 600 mm, zwischen 40 mm und 500 mm oder zwischen 50 mm und 400 mm betragen. Die Länge des rohrförmigen Hauptkörpers fällt vorzugsweise größer aus als die Länge eines elektrischen beheizten Katalysatorträgers, der später beschrieben wird. In diesem Fall kann der elektrisch beheizte Katalysatorträger derart angeordnet sein, dass der elektrisch beheizte Katalysatorträger nicht aus dem rohrförmigen Hauptkörper herausragt.
Die Oberfläche (z. B. die innere Umfangsfläche) des rohrförmigen Hauptkörpers 110 kann einer Oberflächenbehandlung unterzogen werden (nicht dargestellt) Ein typisches Beispiel für eine solche Oberflächenbehandlung ist das Strahlen. Durch die Behandlung zum Aufrauen kann die Haftung zwischen dem rohrförmigen Hauptkörper 110 und der Isolierschicht 120 verbessert werden.
Die Isolierschicht 120 kann eine elektrisch isolierende Eigenschaft zwischen dem rohrförmigen Element 100 und den innerhalb angeordneten Objekten, wie z.B. einem später beschriebenen Katalysatorträger, einbringen. Dabei erfüllt die elektrisch isolierende Eigenschaft unter dem Gesichtspunkt der Unterdrückung elektrischer Leckströme in die umgebenden Abgasleitungen typischerweise den JIS-Standard D5305-3. Ein Isolationswiderstandswert pro Spannungseinheit beträgt beispielsweise 100 Ω/V oder mehr. Die Isolierschicht 120 ist vorzugsweise undurchlässig für Feuchtigkeit und nicht feuchtigkeitsabsorbierend. Insbesondere ist die Isolierschicht 120 vorzugsweise derart dicht ausgelegt, dass diese das Eindringen und die Absorption von Wasser verhindert. In Bezug auf die Dichte weist die Isolierschicht beispielsweise eine Porosität von 10 % oder weniger, oder von 8 % oder weniger auf.
Die Isolierschicht 120 enthält Glas. Die Zusammensetzung des Glases ist nicht auf eine besondere Ausführung beschränkt und es können Gläser mit verschiedenen Zusammensetzungen verwendet werden. Spezifische Beispiele für das Glas sind Silikatglas, Bariumglas, Borglas, Strontiumglas, Aluminosilikatglas, Natron-Zink-Glas und Natron-Barium-Glas. Diese Gläser können jeweils allein oder in Kombination miteinander verwendet werden.
Bei dem Glas handelt es sich vorzugsweise um kristalline Substanzen enthaltendes Glas. Für den Fall, dass das Glas eine kristalline Substanz enthält, kann eine Isolierschicht bereitgestellt werden, die selbst bei hohen Temperaturen (z. B. 750° C oder mehr) weniger anfällig für ein Erweichen und ein Verformen ist. Darüber hinaus kann eine Isolierschicht mit hervorragenden Adhäsionseigenschaften in Bezug auf den röhrförmigen Hauptkörper bereitgestellt werden. Insbesondere kann ein Unterschied im thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Isolierschicht und des rohrförmigen Hauptkörpers (Metall) verringert werden, wodurch eine thermische Belastung reduziert werden kann, die zum Zeitpunkt der Erwärmung auftritt. Das Vorliegen oder das Fehlen der kristallinen Substanz (Kristall) kann mit Hilfe des Röntgenbeugungsverfahrens bestimmt werden.
In mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält das Glas Silizium und Bor. Das Glas kann Silizium in Form von SiO₂ und Bor in Form von B₂O₃ enthalten. Insbesondere ist das Glas ein Glas auf SiO₂-B₂O₃-Basis (Borosilikatglas). Der Gehalt an Silizium im Glas beträgt vorzugsweise zwischen 5 und 50 Mol-%, noch bevorzugter zwischen 7 und 45 Mol-% und noch bevorzugter zwischen 10 und 40 Mol-%. Der Borgehalt des Glases beträgt vorzugsweise zwischen 5 und 60 Mol-%, bevorzugt zwischen 7 und 57 Mol-% und noch bevorzugter zwischen 8 und 55 Mol-%.
Das Glas kann neben Silizium und Bor eine weitere Komponente (Metallkomponente) enthalten, wie Magnesium, Barium, Lanthan, Zink oder Kalzium. So kann das Glas beispielsweise zusätzlich Magnesium enthalten. Das Glas kann Magnesium in Form von MgO enthalten. In diesem Fall beträgt der Magnesiumgehalt des Glases vorzugsweise 10 Mol-% oder mehr, vorzugsweise zwischen 15 Mol-% und 55 Mol-%. Darüber hinaus kann das Glas beispielsweise zusätzlich noch Barium enthalten. Das Glas kann Barium in Form von BaO enthalten. In diesem Fall beträgt der Bariumgehalt des Glases vorzugsweise zwischen 3 und 30 Mol-%, noch bevorzugter zwischen 5 und 25 Mol-% und noch bevorzugter zwischen 6 und 20 Mol-%.
Unter dem Gehalt eines Elements im Glas ist dabei das molare Verhältnis der Atome des betreffenden Elements zu 100 Mol-% der Menge aller Atome im Glas mit Ausnahme der Sauerstoffatome zu verstehen. Die Menge der Atome jedes Elements im Glas wird z. B. mit Hilfe der Emissionsspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (engl. ICP) gemessen.
Im Hinblick auf eine ausgezeichnete Isoliereigenschaft beträgt beispielsweise die Dicke der Isolierschicht 120 vorzugsweise 30 µm oder mehr, noch bevorzugter 50 µm oder mehr, noch bevorzugter 100 µm oder mehr und besonders bevorzugt 150 µm oder mehr. Derweilen beträgt die Dicke der Isolierschicht 120 beispielsweise 800 µm oder weniger, vorzugsweise 600 µm oder weniger.
Im dargestellten Beispiel ist die Isolierschicht 120 über die gesamte innere Umfangsfläche 110c des rohrförmigen Hauptkörpers 110 hinweg ausgebildet. Darüber hinaus ist die Isolierschicht 120 in dem Endabschnitt auf der Seite der ersten Endfläche 110a derart ausgebildet, dass sich diese von der inneren Umfangsfläche 110c bis zu einer äußeren Umfangsfläche 110d erstreckt. Der Bereich, in dem die Isolierschicht ausgebildet ist, kann entsprechend der Größen, der Anzahl und der Anordnung der innerhalb anzuordnenden Objekte, wie z. B. eines elektrisch beheizten Katalysatorträgers, der später beschrieben wird, den Verwendungszwecken und dergleichen festgelegt werden. Exemplarisch kann im Gegensatz zum gezeigten Beispiel in der inneren Umfangsfläche 110c des rohrförmigen Hauptkörpers 110 in einem Endabschnitt auf einer zweiten Endflächenseite 110b ein ausgesparter Bereich vorgesehen sein, in dem die Isolierschicht 120 nicht ausgebildet wird.
Die Isolierschicht 120 kann typischerweise durch Auftragen einer Beschichtungsflüssigkeit zur Isolierschichtbildung auf den rohrförmigen Hauptkörper 110 zum Aufbringen eines Beschichtungsfilms und durch Brennen des Beschichtungsfilms erhalten werden.
Der Beschichtungsfilm wird mit Hilfe eines Kontaktelements aufgebracht, das zur Ausbildung der Isolierschicht mit der Beschichtungsflüssigkeit in Kontakt gebracht wird. Bisher wurde zur Ausbildung einer Isolierschicht ein Beschichtungsfilm durch ein Sprühverfahren aufgebracht. Dieses Verfahren, bei dem die Beschichtungsflüssigkeit zur Isolationsschichtbildung anfällig hinsichtlich Streuung ist, ist bezüglich deren Ausbeute allerdings nicht einmal als ausreichend zu bezeichnen. Bei der Verwendung des Kontaktelements hingegen wird die Beschichtungsflüssigkeit zur Isolationsschichtbildung, die dem rohrförmigen Hauptkörper zugeführt wird, nicht gestreut, sodass ein Beschichtungsfilm mit der gewünschten Dicke gleichmäßig und mit hoher Ausbeute aufgebracht werden kann. Außerdem kann das Auftreten eines Defekts, wie z. B. eines Nadellochs oder eines Risses, unterdrückt werden, sodass eine Isolierschicht mit ausgezeichneten Isoliereigenschaften ausgebildet werden kann.
Die Beschichtungsflüssigkeit zur Isolierschichtbildung ist in der Regel eine Aufschlämmung (Dispersion), die eine Glasquelle und ein Lösungsmittel enthält. Die Beschichtungsflüssigkeit zur Isolierschichtbildung kann Rohmaterialien oder Glasfritte als Glasquelle enthalten. In mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Beschichtungsflüssigkeit zur Isolierschichtbildung durch die Herstellung von Glasfritte aus Rohmaterialien und das Mischen der resultierenden Glasfritte mit dem Lösungsmittel gewonnen. Der Begriff „Lösungsmittel“ bezieht sich hier auf ein flüssiges Medium, das in der Beschichtungsflüssigkeit zur Isolierschichtbildung enthalten ist und ein Lösungsmittel und ein Dispersionsmedium umfasst.
Als Spezifische Beispiele für das Rohmaterial seien Quarzsand (Siliziumquelle), Dolomit (Magnesium- und Kalziumquelle), Aluminiumoxid (Aluminiumquelle), Borsäure, Bariumoxid, Lanthanoxid, Zinkoxid (Zinkblume) und Strontiumoxid genannt. Das Rohmaterial ist nicht auf ein Oxid beschränkt, sondern kann z. B. auch ein Carbonat oder ein Hydroxid sein. Die Glasfritte wird in der Regel durch Pulverisierung von Glas gewonnen, das durch Synthese aus den Rohmaterialien hergestellt wurde (z. B. Pulverisierung des Glases in zwei Schritten, Grobpulverisierung und Feinpulverisierung). Die Synthese erfolgt in der Regel durch Schmelzen bei hoher Temperatur (z. B. 1.200 °C oder mehr) über einen längeren Zeitraum hinweg.
Das Lösungsmittel kann Wasser oder ein organisches Lösungsmittel sein. Das Lösungsmittel ist vorzugsweise Wasser oder ein wasserlösliches organisches Lösungsmittel, wie z. B. ein Alkohol, und noch bevorzugter handelt es sich um Wasser. Der Mischanteil des Lösungsmittels beträgt beispielsweise bezogen auf 100 Masseteile der Glasquelle vorzugsweise 50 Masseteile bis 300 Masseteile und besonders bevorzugt 80 Masseteile bis 200 Masseteile.
Die Beschichtungsflüssigkeit zur Isolierschichtbildung (Schlamm) kann ein Aufschlämmungshilfsmittel enthalten. Beispiele für Aufschlämmungshilfsmittel sind ein Harz, ein Weichmacher, ein Dispersionsmittel, ein Verdickungsmittel und verschiedene andere Zusatzstoffe. Die Arten, die Anzahl, die Kombination, die Mischungsmengen und dergleichen der Aufschlämmungshilfsmittel können je nach Zweck in entsprechender Weise festgelegt werden.
Die Viskosität der Beschichtungsflüssigkeit zur Isolierschichtbildung (zum Zeitpunkt ihrer Aufbringung) beträgt vorzugsweise 10 dPa·s oder mehr und noch bevorzugter 15 dPa·s oder mehr. Derweilen beträgt die Viskosität der Beschichtungsflüssigkeit zur Isolierschichtbildung (zum Zeitpunkt ihrer Aufbringung) beispielsweise 40 dPa·s oder weniger. Für den Fall, dass das Kontaktelement verwendet wird, kann die Viskosität der Beschichtungsflüssigkeit zur Isolierschichtbildung auf eine hohe Viskosität eingestellt werden. Die Viskosität der Beschichtungsflüssigkeit zur Isolierschichtbildung wird z. B. durch Anpassen der Mischungsmenge des Lösungsmittels gesteuert.
Beispielsweise muss die Dicke des Beschichtungsfilms der Beschichtungsflüssigkeit zur Isolierschichtbildung nur entsprechend der gewünschten Dicke der Isolierschicht (nach dem Brennen) eingestellt werden. Insbesondere kann die Dicke des Beschichtungsfilms derart eingestellt werden, dass diese etwa 2-bis 5-mal so groß ausfällt wie die Dicke der Isolierschicht.
2 zeigt eine schematische Ansicht zur Veranschaulichung des Gesamtaufbaus einer Vorrichtung zum Aufbringen eines Beschichtungsfilms gemäß mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Insbesondere zeigt 2 eine Seitenansicht einer Vorrichtung zum Aufbringen eines Beschichtungsfilms 1. Die Vorrichtung zum Aufbringen eines Beschichtungsfilms 1 umfasst: eine Dreheinheit 10 zum Fixieren und Drehen des rohrförmigen Hauptkörpers 110; eine Zuführungseinheit 20 zum Zuführen einer Beschichtungsflüssigkeit zur Isolierschichtbildung auf die Oberfläche des rohrförmigen Hauptkörpers 110 (innere Umfangsfläche im dargestellten Beispiel); ein plattenförmiges Kontaktelement 30, das mit der Beschichtungsflüssigkeit zur Isolierschichtbildung in Kontakt zu bringen ist; und eine Heizeinheit 40 zum Erwärmen des rohrförmigen Hauptkörpers 110. In 2 sind Elemente der Zuführungseinheit 20 und des Kontaktelements 30 von außen nicht sichtbar, sind aber aus Gründen der Vollständigkeit durch durchgezogenen Linien dargestellt.
Die Dreheinheit 10 umfasst: einen Tisch 11, an dessen Oberfläche der rohrförmige Hauptkörper 110 befestigt wird; und eine Antriebseinheit 12 zum Drehen des Tisches 11. Die zweite Endfläche 110b ist derart am Tisch 11 befestigt, dass der rohrförmige Hauptkörper 110 um seine Längsrichtung als Drehachse gedreht werden kann.
Die Heizeinheit 40 erwärmt den rohrförmigen Hauptkörper 110, indem diese heiße Luft gegen die äußere Umfangsfläche des rohrförmigen Hauptkörpers 110 bläst.
Die Zuführungseinheit 20 führt der Oberfläche des rohrförmigen Hauptkörpers 110 eine Beschichtungsflüssigkeit zur Isolierschichtbildung zu, die von einer Vorrichtung (nicht dargestellt) zur Versorgung mit einer Beschichtungsflüssigkeit zur Isolierschichtbildung bereitgestellt wird. Das Kontaktelement 30 wird mit der von der Zuführungseinheit 20 zugeführten Beschichtungsflüssigkeit zur Isolierschichtbildung in Kontakt gebracht, sodass die Beschichtungsflüssigkeit zur Isolierschichtbildung gleichmäßig auf einen gewünschten Oberflächenbereich des rohrförmigen Hauptkörpers 110 aufgebracht wird. Beispielsweise ist das Kontaktelement 30 dabei als Spatel ausgebildet. Das Kontaktelement 30 kann nachgiebig oder unnachgiebig sein. Die Zuführungseinheit 20 und das Kontaktelement 30 können beispielsweise derart angeordnet sein, dass diese unter Verwendung einer (nicht dargestellten) Bewegungsvorrichtung (z. B. eines einachsigen Roboters) bewegt werden können, um deren Bewegung entlang der Längsrichtung des rohrförmigen Hauptkörpers 110 umzusetzen.
Die zur Isolierschichtbildung aufgetragene Beschichtungsflüssigkeit kann einer auf Erwärmung basierenden Trocknungsbehandlung unterzogen werden. Die Erwärmung des rohrförmigen Hauptkörpers 110 durch die Heizeinheit 40 kann zu jedem geeigneten Zeitpunkt erfolgen. Insbesondere kann die Erwärmung vor dem Auftragen der Beschichtungsflüssigkeit zur Isolierschichtbildung, während des Auftragens, nach dem Auftragen oder in einer Kombination davon erfolgen. Darüber hinaus kann die Erwärmung kontinuierlich oder intermittierend erfolgen. Die Erwärmungstemperatur des rohrförmigen Hauptkörpers liegt beispielsweise zwischen 50° C und 120° C. Durch Kombination des Auftragens der Beschichtungsflüssigkeit zur Isolierschichtbildung mit dem Erwärmen des rohrförmigen Hauptkörpers 110 kombiniert, wird das Trocknen der auf die Oberfläche des rohrförmigen Hauptkörpers 110 aufgetragenen Beschichtungsflüssigkeit zur Isolierschichtbildung begünstigt, wodurch ein Beschichtungsfilm mit einer gleichmäßigeren Dicke aufgebracht werden kann.
3 zeigt eine schematische Ansicht zur Veranschaulichung der positionellen Anordnung zwischen einem rohrförmigen Hauptkörper und einem Kontaktelement in einer ersten Ausführungsform. In dieser Ausführungsform ist das Kontaktelement (Spatel) 30 nachgiebig. Das Kontaktelement 30 besteht beispielsweise aus einem nachgiebigen Material mit einer Shore-Härte A zwischen 30 und 50. In einem spezifischeren Beispiel ist das Kontaktelement 30 aus einem Urethanharz hergestellt. Das Kontaktelement 30 ist derart angeordnet, dass die flache Oberfläche eines seiner Endabschnitte 30a gegen die innere Umfangsfläche 110c des rohrförmigen Hauptkörpers 110 gedrückt wird. In diesem Zustand wird während einer Drehung des rohrförmigen Hauptkörpers 110 in Pfeilrichtung eine Beschichtungsflüssigkeit L zur Isolierschichtbildung von der Zuführungseinheit 20 auf die obere Oberfläche des Kontaktelements 30 (Oberfläche, die mit der inneren Umfangsfläche 110c des rohrförmigen Hauptkörpers 110 einen spitzen Winkel bildet) zugeführt, um einen Beschichtungsfilm aufzubringen. Entsprechend der vorstehenden Beschreibung ist der Zeitpunkt der Erwärmung nicht auf einen bestimmten Zeitpunkt beschränkt. Beispielsweise wird das Kontaktelement 30 nach dem Auftragen der Beschichtungsflüssigkeit L zur Isolierschichtbildung von dem rohrförmigen Hauptkörper 110 getrennt, bevor der Bereich erwärmt wird, in dem die Beschichtungsflüssigkeit L zur Isolierschichtbildung aufgetragen wurde. In dieser Ausführungsform kann beispielsweise durch Anpassung der Drehgeschwindigkeit des rohrförmigen Hauptkörpers 110, des Anpressdrucks des Kontaktelements 30 und der zugeführten Menge der Beschichtungsflüssigkeit L zur Isolierschichtbildung ein Beschichtungsfilm mit gewünschter Dicke aufgebracht werden.
4 zeigt eine schematische Ansicht zur Veranschaulichung einer positionellen Anordnung zwischen dem rohrförmigen Hauptkörper und dem Kontaktelement in einer zweiten Ausführungsform. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform dadurch, dass die Beschichtungsflüssigkeit L zur Isolierschichtbildung der inneren Umfangsfläche 110c des rohrförmigen Hauptkörpers 110 zugeführt wird.
5 zeigt eine schematische Ansicht zur Veranschaulichung einer positionellen Anordnung zwischen einem rohrförmigen Hauptkörper und einem Kontaktelement in einer dritten Ausführungsform. In dieser Ausführungsform weist das Kontaktelement 30 keine Nachgiebigkeit auf und besteht beispielsweise aus einem Harz mit einer Rockwellhärte auf der Härteskala R zwischen 85 und 110. Das Kontaktelement 30 ist in einem vorbestimmten Abstand von der inneren Umfangsfläche 110c des rohrförmigen Hauptkörpers 110 angeordnet. In diesem Zustand wird während der Drehung des rohrförmigen Hauptkörpers 110 in Pfeilrichtung die Beschichtungsflüssigkeit L zur Isolierschichtbildung der inneren Umfangsfläche 110c des rohrförmigen Hauptkörpers 110 zugeführt, um einen Beschichtungsfilm aufzubringen. Insbesondere kann durch die Anpassung des Abstands zwischen der inneren Umfangsfläche 110c des rohrförmigen Hauptkörpers 110 und dem Kontaktelement 30 beispielsweise ein Beschichtungsfilm mit einer gewünschten Dicke aufgebracht werden, ohne dass eine Neubeschichtung durchgeführt werden muss. Der vorbestimmte Abstand kann z. B. in Abhängigkeit von der Dicke der auszubildenden Isolierschicht eingestellt werden. Da das Kontaktelement 30 nicht gegen den rohrförmigen Hauptkörper 110 gepresst wird, besteht hier nicht das Problem der Abnutzung des Kontaktelements 30 durch den rohrförmigen Hauptkörper 110, der einer Oberflächenaufrauhung unterzogen wurde. Die Form des Kontaktelements 30 kann sich an der Oberflächenform des aufzubringenden Beschichtungsfilms orientieren, sodass beispielsweise ein linearer Abschnitt des Kontaktelements 30 mit der Beschichtungsflüssigkeit L zur Isolierschichtbildung in Kontakt gebracht wird. Darüber hinaus beeinflusst die Oberflächenform des rohrförmigen Hauptkörpers 110 die Dicke des zu erhaltenden Beschichtungsfilms, sodass beispielsweise der rohrförmige Hauptkörper 110 daher in einem Abschnitt vorzugsweise eine möglichst akkurate Kreisform aufweist.
6 zeigt eine schematische Ansicht zur Veranschaulichung einer positionellen Anordnung zwischen einem rohrförmigen Hauptkörper und einem Kontaktelement in einer vierten Ausführungsform. In dieser Ausführungsform weist das Kontaktelement 30 eine Nachgiebigkeit auf und ist derart angeordnet, dass die flache Oberfläche seines Endabschnitts 30a gegen die äußere Umfangsfläche 110d des rohrförmigen Hauptkörpers 110 gedrückt wird. In diesem Zustand wird während Drehung des rohrförmigen Hauptkörpers 110 in Pfeilrichtung die Beschichtungsflüssigkeit L zur Isolierschichtbildung der oberen Oberfläche des Kontaktelements 30 zugeführt (Oberfläche, die mit der äußeren Umfangsfläche 110d des rohrförmigen Hauptkörpers 110 einen spitzen Winkel bildet), um einen Beschichtungsfilm auf der äußeren Umfangsfläche 110d des rohrförmigen Hauptkörpers 110 aufzubringen.
7 zeigt eine schematische Ansicht zur Veranschaulichung einer positionellen Anordnung zwischen einem rohrförmigen Hauptkörper und einem Kontaktelement in einer fünften Ausführungsform. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der vierten Ausführungsform dadurch, dass das Kontaktelement 30 keine Nachgiebigkeit aufweist und in einem vorbestimmten Abstand von der äußeren Umfangsfläche 110d des rohrförmigen Hauptkörpers 110 angeordnet ist.
Entsprechend der vorstehenden Beschreibung wird der aufgebrachte Beschichtungsfilm gebrannt. Die Brenntemperatur beträgt vorzugsweise 1.100°C oder weniger, noch bevorzugter 600°C bis 1.100°C und noch bevorzugter 700°C bis 1.050°C. Die Brenndauer beträgt beispielsweise 5 Minuten bis 30 Minuten oder 8 Minuten bis 15 Minuten.
8 zeigt eine schematische Schnittdarstellung zur Veranschaulichung des schematischen Aufbaus der Abgasbehandlungsvorrichtung gemäß mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und 9 zeigt eine Ansicht der Abgasbehandlungsvorrichtung aus 8 aus Richtung des Pfeils IX. Die Abgasbehandlungsvorrichtung 300 ist in einem Strömungsweg für ein Abgas von einem Motor angeordnet. In 8 strömt das Abgas entsprechend des Pfeil EX von links nach rechts durch die Abgasbehandlungsvorrichtung 300.
Die Abgasbehandlungsvorrichtung 300 umfasst das Rohrelement 100 und einen elektrisch beheizbaren Katalysatorträger 200 (im Folgenden vereinfacht als „Katalysatorträger“ bezeichnet), der innerhalb des rohrförmigen Elements 100 angeordnet ist und das Abgas erwärmen kann.
Der Katalysatorträger 200 weist eine der Form des Rohrelements 100 entsprechende Form auf und ist koaxial innerhalb des rohrförmigen Elements 100 angeordnet. Der Katalysatorträger 200 ist derart angeordnet, dass dieser mit der inneren Umfangsfläche des Rohrelements 100 in Kontakt gebracht wird, kann aber beispielsweise auch derart angeordnet werden, dass die äußere Umfangsfläche des Katalysatorträgers 200 von einer Haltematte (nicht dargestellt) umhüllt ist.
Der Katalysatorträger 200 umfasst einen Wabenstrukturabschnitt 220 und ein Paar Elektrodenabschnitte 240, die auf einer Seite des Wabenstrukturabschnitts 220 angeordnet sind (typischerweise derart, dass diese sich einander über eine Mittelachse des Wabenstrukturabschnitts hinweg gegenüberliegen). Der Wabenstrukturabschnitt 220 umfasst eine äußere Umfangswand 222 und Trennwände 224, die an einer Innenseite der äußeren Umfangswand 222 angeordnet sind und eine Vielzahl von Zellen 226 definieren, die sich von einer ersten Endfläche 228a zu einer zweiten Endfläche 228b hin erstrecken, um einen Abgasströmungsweg zu bilden. Die äußere Umfangswand 222 und die Trennwände 224 bestehen üblicherweise aus leitfähiger Keramik. Das Paar Elektrodenabschnitte 240 und 240 ist dabei mit Anschlüssen 260 bzw. 260 versehen. Ein Anschluss ist mit einer positiven Elektrode einer Stromquelle (z. B. einer Batterie) verbunden und der andere Anschluss ist mit einer negativen Elektrode der Stromquelle verbunden. An den Rändern der Anschlüsse 260 und 260 sind Abdeckungen 270 und 270 aus einem isolierenden Material angeordnet, um den rohrförmigen Hauptkörper 110 und die Isolierschicht 120 von den Anschlüssen 260 zu isolieren.
Der Katalysator ist typischerweise auf den Trennwänden 224 aufgetragen. Für den Fall, dass der Katalysator auf den Trennwänden 224 aufgetragen ist, können CO, NO_x, Kohlenwasserstoffe und dergleichen in dem durch die Zellen 226 strömenden Abgas durch die katalytische Reaktion in unschädliche Substanzen umgewandelt werden. Der Katalysator kann vorzugsweise ein Edelmetall (z. B. Platin, Rhodium, Palladium, Ruthenium, Indium, Silber oder Gold), Aluminium, Nickel, Zirkonium, Titan, Cer, Kobalt, Mangan, Zink, Kupfer, Zinn, Eisen, Niob, Magnesium, Lanthan, Samarium, Wismut, Barium und eine Kombination daraus enthalten.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt und es können verschiedene Änderungen daran vorgenommen werden. Beispielsweise kann die in jeder der Ausführungsformen gezeigte Anordnung durch eine im Wesentlichen gleiche Anordnung, eine Anordnung mit der gleichen Wirkung und dem gleichen Effekt oder einer Anordnung, die das gleiche Ziel erreichen kann, ersetzt werden.
Das durch das Herstellungsverfahren gemäß mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erhaltene Rohrelement für eine Abgasbehandlungsvorrichtung kann zweckmäßigerweise zur Behandlung (Reinigung) eines Abgases aus einem Verbrennungsmotor eingesetzt werden.
Bezugszeichenliste

1: Beschichtungsfilm
10: Dreheinheit
11: Tisch
20: Zuführungseinheit
30: Kontaktelement
40: Heizeinheit
100: Rohrelement
110: Hauptkörper
120: Isolierschicht
200: Katalysatorträger
300: Abgasbehandlungsvorrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 5408341 [0003]
JP 2012154316 [0003]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Rohrelements für eine Abgasbehandlungsvorrichtung, wobei das Rohrelement einen aus einem Metall hergestellten rohrförmigen Hauptkörper und eine auf mindestens einer inneren Umfangsfläche des rohrförmigen Hauptkörpers gebildete Isolierschicht umfasst, wobei die Isolierschicht Glas enthält, umfassend die folgenden Schritte: Aufbringen eines Beschichtungsfilms, indem eine dem rohrförmigen Hauptkörper zugeführte Beschichtungsflüssigkeit zur Isolierschichtbildung mit einem Kontaktelement in Kontakt gebracht wird; und Brennen des Beschichtungsfilms, um die Isolierschicht zu erhalten.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Beschichtungsflüssigkeit zur Isolierschichtbildung eine Viskosität von 10 dPa·s oder mehr aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Kontakt mit dem Kontaktelement erfolgt, während der rohrförmige Hauptkörper und/oder das Kontaktelement gedreht wird, wobei eine Längsrichtung des rohrförmigen Hauptkörpers eine Drehachse ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Verfahren ferner einen Schritt zum Erwärmen des rohrförmigen Hauptkörpers umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Isolierschicht eine Dicke von 30 µm bis 800 µm aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Kontaktelement aus einem nachgiebigen Material mit einer Shore-Härte A zwischen 30 und 50 besteht.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Kontaktelement derart eingerichtet ist, dass es eine Anpassung eines Anpressdrucks des Kontaktelements gegen die innere Umfangsfläche des rohrförmigen Hauptkörpers gestattet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Kontaktelement aus einem Harz mit einer Rockwellhärte auf der Härteskala R zwischen 85 und 110 besteht.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Kontaktelement in einem vorgegebenen Abstand zum rohrförmigen Hauptkörper angeordnet ist.
Vorrichtung zum Aufbringen eines Beschichtungsfilms, umfassend: eine Dreheinheit, die eingerichtet ist, einen rohrförmigen, aus einem Metall hergestellten Hauptkörper aus einem Metall einzuspannen und diesen zu drehen, wobei eine Längsrichtung des rohrförmigen Hauptkörpers eine Drehachse ist; eine Zuführungseinheit, die eingerichtet ist, einer inneren Umfangsfläche des rohrförmigen Hauptkörpers eine Beschichtungsflüssigkeit zur Isolierschichtbildung zuzuführen; und ein Kontaktelement, das innerhalb des rohrförmigen Hauptkörpers angeordnet ist, wobei das Kontaktelement eingerichtet ist, mit der Beschichtungsflüssigkeit zur Isolierschichtbildung in Kontakt gebracht zu werden.
Vorrichtung zum Aufbringen eines Beschichtungsfilms nach Anspruch 10, wobei die Vorrichtung ferner eine Heizeinheit umfasst, die dazu eingerichtet ist, den rohrförmigen Hauptkörper zu erwärmen.
Vorrichtung zum Aufbringen eines Beschichtungsfilms nach Anspruch 10 oder 11, wobei das Kontaktelement aus einem nachgiebigen Material mit einer Shore-Härte A zwischen 30 und 50 besteht.
Vorrichtung zum Aufbringen eines Beschichtungsfilms nach Anspruch 12, wobei das Kontaktelement eingerichtet ist, eine Anpassung eines Anpressdrucks des Kontaktelements gegen die innere Umfangsfläche des rohrförmigen Hauptkörpers zu gestatten.
Vorrichtung zum Aufbringen eines Beschichtungsfilms nach Anspruch 10 oder 11, wobei das Kontaktelement aus einem Harz mit einer Rockwellhärte auf der Härteskala R zwischen 85 und 110 besteht.
Vorrichtung zum Aufbringen eines Beschichtungsfilms nach Anspruch 14, wobei das Kontaktelement in einem vorbestimmten Abstand von dem rohrförmigen Hauptkörper angeordnet ist.