DE10233957A1

DE10233957A1 - Verfahren zur Herstellung eines profilierten Blechmaterials und Vorrichtung hierfür sowie profiliertes Blechmaterial, metallischer Verbundkörper aus diesem Blechmaterial und Katalysator

Info

Publication number: DE10233957A1
Application number: DE2002133957
Authority: DE
Inventors: Lutz Klose; Hubert Biehler
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2002-07-25
Filing date: 2002-07-25
Publication date: 2004-02-19
Also published as: AU2003266951A1; WO2004011170A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines profilierten Blechmaterials sowie eine Vorrichtung hierfür, ein profiliertes Blechmaterial sowie einen Verbundkörper, insbesondere Katalysator-Trägerkörper und einen Katalysator, wobei die Erfindung vorsieht, die gewellten, kanalbildenden Strukturen des Verbundkörpers bzw. Katalysator-Trägerkörpers umformtechnisch mit Hinterschneidungen zu versehen, so dass auf Zwischenlagen zwischen den strömungskanalbildenden Wellprofillagen ebenso verzichtet werden kann wie auf ein Verlöten zwischen den einzelnen Lagen. Die Erfindung ist insbesondere für den Bau von Katalysatoren anwendbar, ohne hierauf beschränkt zu sein. Sie kann vielmehr auch im Bereich des Baus von Wärmetauschern oder Kältemittelkondensatoren für KFZ-Klimaanlagen verwendet werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines profilierten Blechmateriales, insbesondere eines Katalysator-Trägerkörpers, eines Wärmetauscherbleches oder eines anderen Blechmateriales mit einer oberflächenintensiven Wirkfläche, eine Vorrichtung zur Herstellung eines fertigen profilierten Blechmateriales, ein profiliertes Blechmaterial selbst sowie einen aus diesem gebildeten metallischen Verbundkörper und einen Katalysator.
Bevorzugtes Einsatzgebiet der vorliegenden Erfindung ist die Herstellung eines wellenförmig profilierten Blechmateriales als Trägermaterial für abgasreinigende katalytische Materialien sowie die Bildung von Katalysatoren bzw. entsprechender paketierter oder spiralig gewickelter Verbundkörper, die mit katalytischer Beschichtung in Abgassysteme von Kraftfahrzeugen einsetzt werden.
Daneben ist die vorliegende Erfindung aber auch für die Ausbildung von Wärmetauscherflächen bzw. von Lagenmaterialien geeignet, die mit oberflächenativen Wirkstoffen beschichtet bzw. versehen sind, um den Wirkkontakt mit Fluiden, die in Strömungskanälen des so gebildeten Lagenmateriales strömen, in stofflichen oder anderen, wie z.B. Temperaturaustausch, zu treten.

Ein Verbundkörper als Katalysator-Trägerkörper ist z.B. aus der DE 197 04 129 A1 bekannt. Hierbei wird gewelltes Blechmaterial spiralig unter Einsatz von Zwischenblechen als Abstands- und Stützmaterial zu einem rohrförmigen Körper gewickelt und nach entsprechender katalytischer Beaufschlagung in KFZ-Abgassystemen eingesetzt.

Der Füllungsgrad solcher Katalysator-Trägerkörper ist im Hinblick auf die erforderlichen Zwischenlagen nicht in wünschenswerter Weise hoch, außerdem ist ein zwei Bauteile miteinander vereinigender Fügeprozess (Hartlöten) erforderlich und die Flexibilität der Raumform ist gering. Überdies sind derartige aufgebaute Katalysatoren in Bezug auf die pro Volumeneinheit bereitgestellte aktive Katalysator-Austauschoberfläche Keramikka talysatoren unterlegen. Ähnliche Lösungen sind aus der DE 196 41 049 sowie der US 5,562,885 bekannt.

Im Hinblick auf strengere Abgasvorschriften soll die Reinigungswirkung von Metallkatalysatoren durch eine vergrößerte katalytisch wirksame Oberfläche pro Volumeneinheit Abgasstrom weiter verbessert und bei hinreichender Bauteilsteifigkeit eine größere räumliche Formflexibilität hinsichtlich der herstellbaren Querschnitte (bisher vorzugsweise rund, ellipsoid oder dreieckig) erreicht werden. Hinsichtlich der Oberflächenaffinität wie auch der Produktionskosten sollen die Vergleichswerte von Keramikkatalysatoren erreicht werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines profilierten Blechmateriales, das insbesondere zur Bildung eines Katalysator-Trägerkörpers (Verbundkörper) verwendet werden kann, sowie eine Vorrichtung zur Herstellung eines derartigen profilierten Blechmateriales anzugeben.

Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein wellenförmig profilierten Blechmaterial zu schaffen, das sowohl hinsichtlich der Fertigungskosten als auch hinsichtlich der insbesondere katalytischen Oberflächeneffizienz, zu einem entsprechenden Verbundkörper, vorzugsweise als Trägerkörper für katalytisches Material, gebildet werden kann.

Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, einen Katalysator anzugeben, der günstiger und in Großserienfertigung hergestellt werden kann, eine hohe Bauteilsteifigkeit bei Vergrößerung der Wirkoberfläche und eine hohe Formvariabilität aufweist.

Die vorgenannten Aufgaben werden hinsichtlich des Vertahrens zu Herstellung eines profilierten Blechmateriales durch die Merkmale des Patentanspruches 1, hinsichtlich der Vorrichtung zur Herstellung eines profilierten Blechmateriales durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches 11, hinsichtlich eines wellenförmig profilierten Blechmateriales durch ein Blechmaterial mit den Merkmalen des Patentanspruches 19, hinsichtlich eines metallischen Verbundkörpers, insbesondere Katalysator-Trägerkörpers aus gewickeltem oder paketiertem Blechmaterial durch die Merkmale des Patentanspruches 23 und hinsichtlich des Katalysators durch die Merkmale des Patentanspruches 29 gelöst.

Bevorzugte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes sind in den jeweils den unabhängigen Patentansprüchen nachgeordneten Unteransprüchen dargelegt.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst in einem ersten Arbeitsgang aus einem flachen Blechmaterial ein gewelltes bzw. wellenförmig profiliertes Blechmaterial, vorzugsweise ein sinus- oder ein rechteckwellenförmiges Blechmaterial erzeugt. Dies geschieht z.B. durch Walzen des flachen Blechmateriales. Anschließend wird in einem zweiten Arbeitsgang eine Wellenstruktur des Blechmateriales umformtechnisch mit hinterschnittenen Formelementen unter Bildung von im wesentlichen parallelen Strömungskanälen versehen.

Auf diese Weise wird durch das erfindungsgemäße Verfahren ein wellenförmig profiliertes, gestauchtes Blechmaterial geschaffen, das sich kontinuierlich und mit einer Struktur herstellen lässt, die zu einer hervorragenden Wickel- und Paketierfähigkeit bei einer lagenweisen Zusammenordnung derartiger Blechmateriallagen zu einem Verbundkörper unter gleichzeitiger Vergrößerung der Wirkoberfläche, d.h. der möglichen aktiven Austauschoberfläche solchen Blechmateriales in Bezug auf Strömungsmedien führt, die an diesen in Strömungskanälen entlanggeführt werden (z.B. Abgas- oder Kältemittel).

In Abhängigkeit vom Maß der vorzugsweise durch vertikales, horizontales oder rotatonisches Stauchen herbeigeführten Hinterschneidungen ist auch die aktive Oberfläche des so geschaffenen, wellenförmig profilierten, gestauchten Blechmateriales in gewissem Rahmen einstellbar, und durch die mit dem umformtechnisches Prozess einhergehende größere Formänderung wird die Bauteilsteifigkeit erhöht, so dass die Blechdicke des wellenförmig profilierten Blechmateriales gegenüber herkömmlichen Bauteilen verringert werden kann, wobei dies wiederum zu einer Erhöhung der Oberflächeneffektivität (wirksame Austauschoberfläche pro Volumeneinheit Gasstrom) führt.

Überdies ist das solchermaßen hergestellte Blechmaterial in verbesserter Weise mechanisch vorspannbar, so daß bei einer Paketierung oder Wicklung des Blechmateriales zu einem Verbundkörper dieser ohne weitere Montagehilfsmittel, insbesondere ohne zusätzliche Lötarbeitsgänge und ohne zwischen die Blechmateriallagen eingefügte Deck bleche durch Einsetzen (Klemmbefestigung) in ein im wesentlichen geschlossenes Hohlprofil zur Bildung eines Katalysetors verarbeitet ist.

Der Wegfall von Deckblechen zwischen den einzelnen Blechmateriallagen bei der Bildung von Verbundkörpern aus derartigem Blechmaterial wird ebenfalls die aktive Oberfläche pro Volumeneinheit vergrößert, und es kann eine höhere Anzahl von Strömungskanälen pro Einheitsvolumen untergebracht werden. Damit kann auch eine größere katalytisch wirksame Oberfläche pro Volumeneinheit des Verbundkörpers vorgesehen und dadurch die Reinigungswirkung von Katalysatoren verbessert werden, deren Trägerkörper in dieser Weise gebildet ist. Durch die umformtechnisch ausgebildeten (vorzugsweise durch vertikales, horizontales oder rotatorisches Stauchen dem wellenförmig profilierten Blechmaterial verliehene Hinterschneidungsstruktur (die vorzugsweise gegen eine Laufrichtung des Blechmateriales im wesentlichen rechtwinklig geneigt ist) wird eine Struktur erzeugt, die beim Paketieren des Blechmateriales nicht ineinander fällt, sondern auch ohne eine Einfügung von Zwischenlagen (Deckblechen) die Querschnitte der Strömungskanäle zwischen benachbarten Blechlagen vollständig erhalten bleiben.

Vorzugsweise erfolgt die umformtechnische Ausbildung der hinterschnittenen Formelemente, z.B. durch rotatorische Stauchwalzen, in mehreren Schritten, und es kann eine gleichmäßig oder auch eine einseitig geschränkte Hinterschneidungsstrukturerzielt werden.

Die vorgenannte Aufgabe wird hinsichtlich der Vorrichtung zur Herstellung eines profilierten Blechmateriales erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 11 gelöst.

Dabei schließt sich an eine Profilierungsanordnung, vorzugsweise ein Walzenpaar, zur Bildung eines wellenförmig profilierten Blechmateriales aus einem ebenen Blechmaterial eine Stauchvorrichtung an, die umformtechnisch (vorzugsweise vertikal, horizontal oder durch rotatorische opponierende Stauchwalzen) der Wellenstruktur des wellenförmig profilierten Blechmateriales eine Struktur mit hinterschnittenen Formelementen verleiht, unter Ausbildung von im wesentlichen parallelen Strömungskanälen. Die Profilierungsanordnung kann, ausgehend von einem ebenen Flachmaterial (Streifen, Platinen, Band) vorzugsweise aus einem Walzenpaar bestehen, durch das das flache Blechmaterial hin durchgeführt wird, hierfür können jedoch auch Prägewalzen sowie Tiefzieh- oder Biegewerkzeuge zur Herstellung eines insbesondere gleichmäßig wellenförmig profilierten Blechmateriales verwendet werden. Die Stauchanordnung ist vorzugsweise eine Rückstauchanordnung zur Erzeugung der hinterschnittenen Formelemente, wobei die Wahl einer Stauchkraft, insbesondere Rückstauchkraft, eine Geometrie des Profilquerschnittes der einzelnen von den hinterschnittenen Wellungen begrenzten Strömungskanäle bestimmt.

Vorzugsweise kann der Stauchvorrichtung einen Klemm- oder Haltevorrichtung, z.B. ein oder ein Paar von Klemmstempeln vorgeschaltet sein, um das Blechmaterial während des Stauchvorganges (z.B. in Durchlaufrichtung vertikal festzuhalten, Rückstauchen).

Zwischen planparallelen Platten kann das Stauchen zur Ausbildung der Hinterschneidungen des Wellenprofiles auch horizontal oder mittels zu beiden Seiten des wellenförmig profilierten Blechmateriales angeordneter, rotatorisch gegensinnig angetriebener Stauchwalzen erfolgen, wobei deren Profilierung vorzugsweise gegen die Laufrichtung des Blechmateriales unter einem Winkel von 90° ± 20° geneigt ist.

Weitere, bevorzugte Ausgestaltungen der Vorrichtung sind in den übrigen, zugehörigen Unteransprüchen dargelegt.

Zur Lösung der vorgenannten Aufgabe hinsichtlich des wellenförmig profilierten Blechmateriales selbst wird diese durch ein wellenförmig profilierten Blechmaterial mit den Merkmalen des Anspruches 19 gelöst.

Dieses zeichnet sich durch eine abfolgende Anordnung von Wellprofilierungen aus, die jeweils Hinterschneidungen aufweisen, und zwar vorzugsweise gleichmäßig zur Bildung und Begrenzung der so definierten Fluid-Strömungskanäle (Gas- oder Flüssigkeits-Strömungskanäle).

Vorzugsweise kann die umformtechnische Ausbildung der Hinterschneidungen so erfolgen, dass die Strömungskanäle zwischen den einzelnen Wellungen des wellenförmig profilierten Blechmateriales im wesentlichen geschlossen sind, so dass bei dem Wickeln oder Paketieren derartiger Blechmaterialien benachbarte Lagen unmittelbar und ohne die Gefahr des Ineinanderrutschens gegeneinander abgestützt werden können.

Weitere, bevorzugte Ausgestaltungen des wellenförmig profilierten Blechmateriales sind in den übrigen Unteransprüchen dargelegt.

Hinsichtlich eines metallischen Verbundkörpers, insbesondere Katalysator-Trägerkörpers, aus gewickeltem oder paketiertem Blechmaterial mit im wesentlichen parallelen Strömungskanälen wird die obige Aufgabe erfindungsgemäß durch einen Verbundkörper mit den Merkmalen des Anspruches 23 gelöst.

Dieser zeichnet sich im übrigen vorteilhafterweise dadurch aus, dass benachbarte Blechmateriallagen direkt unter Einschluss der hinterschnittenen Formelemente gegeneinander abgestützt sind, ohne dass hierfür herkömmliche Deckbleche eingesetzt werden.

Hierdurch wird der katalytische „Füllungsgrad" eines aus einem solchen wabenförmigen Verbundkörper bestehenden Trägerkörpers für einen Katalysator wesentlich verbessert.

Vorzugsweise sind im übrigen im Bereich der Scheitel der Wellungen und/oder von hinterschnittenen Formelementen des wellenförmig profilierten, gestauchten Blechmateriales Abstützformelemente, insbesondere Querrillen oder Sicken vorgesehen, die neben einer kraftschlüssigen Paketbildung benachbarter Lagen des gewellten Blechmateriales bei der Bildung des Verbundkörpers für eine formschlüssige Abstützung benachbarter Blechmateriallagen gegeneinander sorgen, einhergehend mit einer Minimierung der Berührungsflächen beim Paketieren oder Wickeln des Blechmateriales zwischen benachbarten Lagen.

Der Verbundkörper kann unter Einsatz in ein zumindest im wesentlichen geschlossenes Hohlprofil ohne zusätzliche Fügeprozesse wie Verlöten benachbarter Lagen miteinander unter Ausnutzung der elastischen Vorspannbarkeit der Wellprofilierungen der einzelnen Blechlagen montiert (eingespannt, eingeklemmt) werden, so dass Füge- und Montageprozesse erheblich vereinfacht werden.

Bevorzugte Ausgestaltungen des metallischen Verbundkörpers der vorliegenden Erfindung sind in den übrigen zugehörigen Unteransprüchen dargelegt.

Im Hinblick auf einen Katalysator wird die obige Aufgabe erfindungsgemäß durch einen Katalysator mit dem Merkmalen des Anspruches 29 gelöst.

Durch die vorliegende Erfindung wird es damit möglich, in einem kontinuierlichen und fertigungstechnisch sehr vorteilhaften Prozess sowohl das Grundmaterial für die Bildung eines Katalysator-Trägerkörpers wie auch einen solchen Trägerkörper als metallischen Verbundkörper zwischenlagenfrei und ohne das Erfordernis von Lötprozessen herzustellen und sehr dicht zu paketieren, so dass eine hohe Prozesseffizienz wie auch funktionale Vorteile durch den Wegfall von Deckschichten zwischen den einzelnen, die Strömungskanäle bildenden Lagen des Verbundkörpers erreicht werden und Katalysatoren mit einem auf diese Weise ausgebildeten Trägerkörper für die katalytische Beschichtung eine Keramikkatalysatoren vergleichbare wirksame Oberfläche und Oberflächenaktivität zur Verfügung stellen können.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen Zeichnungen näher beschrieben und erläutert. In diesen, jeweils in schematischer Darstellung, zeigt:

1A einen ersten Verfahrensschritt für die Herstellung eines wellenförmig profilierten, mit Hinterschneidungen versehenen Blechmateriales (Herstellung eines wellenförmig profilierten Blechmateriales),

1B–1E unterschiedliche Verfahrens-Ausführungsbeispiele für die Ausbildung von Hinterschneidungen in einem profilierten Blechmaterial, hergestellt beispielsweise nach 1A, mit

1B die Ausbildung von Hinterschneidungen durch ein vertikales Stauchen in Verbindung mit einer Klemmerfassung des wellenförmig profilierten Blechmateriales,

1C eine Verfahrens-Modifikation des Verfahrens nach 1B ohne stromaufseitige Klemmerfassung des wellenförmig profilierten Blechmateriales,

1D ein Verfahrens-Ausführungsbeispiel Ausbildung der hinterschnittenen Formelemente bei einem wellenförmig profilierten Blechmaterial (Ausgangsmaterial) nach 1A im Wege eines horizontalen Stauchens in schematischer Darstellung, und

1E die Ausbildung von Hinterschneidungen an einem wellenförmig profilierten Blechmaterial (Ausgangsmaterial nach 1A) durch rotatorisches Stauchen in Verbindung mit gegenüberliegend angeordneten Stauchwalzen, die gegensinnig angetrieben sind und zwischen sich das wellenförmig profilierte Blechmaterial umformend mit den hinterschnittenen Formelementen versehen;

2 einen Ausschnitt aus einem Verbundkörper basierend auf einem wellenförmig profilierten, mit Hinterschneidungen versehenen Blechmaterial mit sinusförmiger Wellung;

3 einen Ausschnitt aus einem Verbundkörper basierend auf einem wellenförmig profilierten, mit Hinterschneidungen versehenen Blechmaterial mit rechteckförmiger Wellung;

4 einen Querschnitt eines mit gleichförmigen Hinterschneidungen versehenen wellenförmig profilierten Blechmateriales;

5A-5G eine schematische Darstellung von Umformphasen für ein sinuswellenförmig profiliertes Blechmaterial zur Ausbildung von hinterschnittenen Formelementen in einseitig geschränkter Struktur.

1 zeigt schematisch sowohl verfahrens- als auch vorrichtungstechnische Aspekte von Ausführungsbeispielen für die Herstellung eines wellenförmig profilierten Blechmateriales, das zur Bildung von Wabenkörpem bzw. Verbundkörpern paketiert oder gewickelt werden kann, z.B. Katalysator-Trägerkörpern, um nach katalytischer Beschichtung als Katalysatoren in Kraftfahrzeug-Abgassystemen zur Abgasreinigung Anwendung zu finden.

Die vorliegenden Ausführungsbeispiele sind allerdings nicht auf eine solche Anwendung beschränkt, vielmehr können in gleicher Weise Wärmetauscherbleche oder die Strömungsstrukturen in Kondensatoren von Klimaanlagen, z.B. Kraftfahrzeugklimaanlagen, ausgebildet werden.

Von besonderem Vorteil ist hierbei, dass in einer lagenweisen Ausbildung einer Vielzahl, auch vollständig voneinander separierter Strömungskanäle mit erhöhter Austauschoberfläche hergestellt werden können, ohne dass es der Zwischenlage von Stützblechen, Decklagen, Zwischenschichten o. dgl. bedarf, da die Aktivelemente, d.h., die mit Hinterschneidungen versehenen, gewellten Blechmateriallagen eine hinreichende Eigensteifigkeit und direktes Abstützverrnögen gegeneinander aufweisen, so dass die zur Verfügung stehende Wirkoberfläche solcher oberflächenaktiver Wellelemente gegenüber herkömmlichen Strukturen weitaus verbessert werden kann, bei vereinfachter Herstellung und der Vermeidung von stoffschlüssigen Fügeprozessen zur Lagefixierung der einzelnen Blechlagen bzw. Wellungen gegeneinander.

1A zeigt ein Ausführungsbeispiel, wie aus einem ebenen bzw. flachen Blechmaterial 1 ein, vorzugsweise gleichmäßig, wellenförmig profiliertes Blechmaterial 3 als Ausgangsmaterial für die weitere umformtechnische Verarbeitung (vgl. die alternativen Fertigungsverfahren nach den 1B–1E) hergestellt wird.

In 1A ist als Profilierungsanordnung ein Walzenpaar 2.1, 22 vorgesehen, zwischen denen das flache Blechmaterial 1 hindurchgeführt wird und die diesem eine im vorliegenden Fall sinuswellenförmige Profilierung zu dem wellenförmig profilierten Blechmaterial 3 verleihen.

Auf diese Weise ist das Wellenmaterial in einem kontinuierlichen Prozess besonders vorteilhaft herstellbar. Es könnte in ähnlicher Weise aber auch ein wellenförmiges Profil als Rechteckprofil erzeugt werden, wie dies z.B. das Ausgangsmaterial für die weitere Verarbeitung in 3 bildet.

Während der wellenförmigen Profilierung kann überdies zusätzlich, insbesondere in den Scheitelbereichen der Wellungen, das wellenförmig profilierten Blechmaterial 3 mit den in Durchlaufrichtung des Blechmateriales verlaufenden Rillen oder Sicken 21 (vgl. 5A) versehen sein, (z.B. in einer Breite von 0.05 mm), die bei der Paketierung oder Wicklung eines solchen wellenförmig profilierten und gestauchten Blechmateriales 7 zu einem Katalysator-Trägerkörper (Verbundkörper 15, 16) als zusätzlich formschlüssige Abstützelemente zwischen einzelnen Blechmateriallagen dienen. Gegebenenfalls können solche die weitere Montage und Wicklung bzw. Paketierung des wellenförmigen, profilierten Blechmateriales fördernde Formelemente auch in Verbindung mit der weiteren umformtechnisch, vorzugsweise durch Stauchen erfolgenden Ausbildung von hinterschnittenen Formelementen 12, 13 (d.h. in den Prozessstufen nach den 1B–1E) erfolgen.

In Abhängigkeit von den Produktions- und einsatztechnischen Randbedingungen kann als ebenes Blechmaterial 1 sowohl Streifen- oder Bandmaterial wie auch Platinen verwendet werden, und die z.B. sinus- oder recheckwellenförmige Ausbildung des wellenförmig profilierten Blechmateriales 3 kann nicht nur, wie in 1A gezeigt, durch Walzen, sondern auch durch Prägevorgänge, Tiefziehen oder Biegen erfolgen.

Um derartiges, wellenförmig profiliertes Blechmaterial 3 zu Verbundkörpern als Katalysator-Trägerkörper zu paketieren oder zu wickeln, dabei zugleich aber auf Deckbleche zwischen den einzelnen profilierten Blechmateriallagen zu verzichten und ein Ineinanderrutschen der einzelnen Lagen sicher zu verhindern, um die vorgesehene Strömungsquerschnitte der zwischen den Wellungen gebildeten Strömungskanäle zu garantieren, wird ertindungsgemäß das wellenförmig profilierte Blechmaterial 3 mit hinterschnittenen Formelementen, d.h. mit Hinterschneidungen 12 bzw. 13 (vgl. auch 2, 3) versehen, und zwar vorzugsweise umformtechnisch durch Stauchvorgänge, die neben einer Oberflächenvergrößerung zu Wellprofilen führen, die bei mehrlagiger Anordnung gegeneinander formstabil elastisch abstützbar sind, ohne Zwischenlage weiteren Materiales und sowohl zu einseitig offenen (1B , 1C, 1E) als auch zu praktisch geschlossenen Strömungskanälen 19 (vgl. 1D) gestaltet werden können.

In 1B erfolgt in einer ersten Verfahrensvariante die Ausbildung der hinterschnittenen Formelemente bzw. Hinterschneidungen 12 in einem Rückstauchen, wobei das wellen förmig profilierte Blechmaterial 3 aus 1A in einem gegen die Laufrichtung des Blechmateriales 3 bewegbaren Stauchschlitten 6 aufgenommen und vorzugsweise unter intermittierendem Festlegen durch eine stromauf angeordnete Klemmstempelanordnung 4.1, 4.2 (die eine Klemmkraft A aufbringen) entgegen seiner Laufrichtung mittels einer Rückstauchkraft B in eine Aufnahmeanordnung 5 rückgestaucht wird, unter Ausbildung der hinterschnittenen Formelemente 12, wie dies in 1B dargestellt ist, wobei die Größe der Rückstauchkraft die „Packungsdichte", d.h. die Geometrie und den Querschnitt der zwischen den mit den hinterschnittenen Formelementen 12 versehenen Wellungen verbleibenden Strömungskanäle 19 bestimmt.

Das solchermaßen in der Aufnahmeanordnung 5 entstehende, umgeformte wellenförmig profilierte und mit Hinterschneidungen 12 versehene Blechmaterial 7 kann dann einer weiteren Verarbeitung (Wicklung, Paketierung) zu einem Verbundkörper 15, 16 (wie in den 2 oder 3 dargestellt) verarbeitet werden.

1C verdeutlicht schematisch ein entsprechendes Rückstauchvertahren zur Ausbildung der hinterschnittenen Formelemente an dem wellenförmigen Blechmaterial 3 ohne spezielle Klemmstempel stromauf dieser Rückstauchanordnung. Als entsprechende Gegenhalterkraft kann auch die dem Blechmaterial insbesondere in Laufrichtung selbst anhaftende Formsteifigkeit bzw. die Einstellung der Reibungsverhältnisse innerhalb der Stauchschlittenanordnung 6 bzw. der Aufnahmeanordnung 5 gewählt werden.

In einer – hier nicht dargestellten – Modifikation dieses Vertahrens könnte dieser Rückstauchprozess in Laufrichtung des wellenförmig profilierten Blechmateriales 3 auch mit einem hierzu senkrecht gerichteten Vertikal- bzw. Horizontalstauchvorgang (vgl. z.B. 1D) kombiniert werden, z.B. im Bereich der Aufnahmeanordnung 5, um zusätzlich die Profilhöhe des hinterschnittenen Wellprofiles zu ändern bzw. einzustellen und die Geometrie der Strömungskanäle weiter zu beeinflussen, insbesondere allseitig geschlossene Strömungskanäle 19 innerhalb des Blechmateriales zu realisieren. Eine solche Möglichkeit ist durch den in 1C gestrichelt angedeuteten Pfeil C dargestellt.

Bei Verwendung von Klemmstempeln gemäß der Verfahrensvariante nach 1B ist die Eingriffsgeometrie der Stempel an die Wellprofilierung angepasst. Wenn z.B. Rechteck wellen in dem Vertahren nach 1A erzeugt werden, haben auch die Eingriffsseiten der Klemmstempel eine entsprechend angepasste Geometrie.

1D verdeutlicht ein Vertahren zum Herstellen der Hinterschneidungen 12 durch Aufnahme des wellenförmig profilierten Blechmateriales zwischen Stauchplatten 6a, die vertikal zur Laufrichtung des Blechmateriales die Wellungen stauchen (ggf. auch zusätzliche Rillungen 21 als Formelemente zur Herstellung eines späteren Formschlusses bei der Paketierung aufeinandertolgender Lagen einbringen) und zu einem einlagigen Blechmaterial 7 mit im wesentlichen geschlossenen Strömungskanälen 19 führen.

Die weitere schematische Ausführungsform nach 1E verdeutlicht das Herstellen von Hinterschneidungen 12 in einem umformtechnischen Prozess zwischen Stauchwalzen als rotatorisches Stauchen, wie es durch die gegeneinander versetzten Stauchwalzprofile 20 und die gegensinnigen Drehrichtungen andeutenden Pfeile D in 1E nur schematisch dargestellt ist.

Auf diese Weise wird ein kontinuierlicher Durchlaufprozess möglich, d.h. die Ausbildung der wellenförmigen Profilierungen gemäß 1A und auch der Stauchprozess zur Ausbildung der Hinterschneidungen können in einem großserientauglichen kontinuierlichen Herstellungsvorgang ausgebildet werden.

Basierend auf einem sinuswellenförmig profilierten Blechmaterial 3 und z.B. einem Stauchvorgang zwischen planparallelen Stauchplatten gemäß 1D wird solchermaßen mit hinterschnittenen Formelementen 12 versehenes, wellenförmig profiliertes Blechmaterial 7 zu einem wabenförmigen Verbundkörper 15 fortlaufend spiralig gewickelt oder (nach Schneiden) lagenförmig paketiert, wobei 2 nur einen Ausschnitt aus einem solchen Verbundkörper zeigt, der endgültig durch Einsetzen solchermaßen profilierter, hinterschnittener Blechmateriallagen 9.1, 9.2 in einem im wesentlichen geschlossenes rohrtörmiges Hohlprofil gebildet wird, in dem die Lagen des rückgestauchten Blechmateriales 7 unter elastischer Vorspannung und zuverlässiger gegenseitiger Abstützung, ggf. unter Verwendung zusätzlicher Formrillen 21 (vgl. 5A), ohne das Erfordernis eines Lötvorganges oder des Einsetzen von Stützblechen zwischen den einzelnen Blechmaterial-lagen des rückgestauchten Blechmateriales 7 in ein solches Hohlprafil zur Bildung eines Katalysators eingesetzt werden.

In der Ausführungsform nach 2 sind die parallelen Strömungskanäle 19 praktisch vollständig geschlossen, und es steht eine hohe Wirkfläche für den Kontakt zwischen einem in den Strömungskanälen 19 z.B. strömenden Abgas und einer katalytischen Beschichtung (hier nicht dargestellt) eines solchermaßen gebildeten Katalysator-Trägerkörpers (Verbundkörper 15) zur Verfügung.

3 verdeutlicht eine entsprechende Bildung eines Verbundkörpers 16 aus einem rechteckförmig profilierten, gewellten Blechmaterial 10, das nach einer entsprechenden Rückstauchung eine trapez- bzw. dreiecksförmige Querschnittsform seiner Strömungskanäle 19 bildet, wobei die einzelnen Lagen 11.1, 11.2 des Blechmateriales ebenfalls unmittelbar gegeneinander abgestützt und vorzugsweise in einem hier nicht dargestellten Gehäuse zu einem rohrtörmigen Trägerkörper für eine katalytische Beschichtung kraft- und/oder formschlüssig, insbesondere klemmbefestigt werden. Hierzu wird wiederum die federelastische Vorspannung des Profiles der rückgestauchten Blechmateriallagen 11.1; 11.2 mit den hinterschnittenen Formelementen 13 zur Herstellung eines kraft- und/oder formschlüssigen Verbundes innerhalb eines (hier nicht dargestellten) rohrförmigen Aufnahmekörpers herangezogen.

Durch Variation der Frequenz bei der Bildung der wellenförmigen Profilierungen bzw. durch Variation innerhalb der Stauchkraft und des Stauchprozesses zur Ausbildung der Hinterschneidungen 12, 13, lässt sich die Geometrie und damit auch der Strömungsquerschnitt der Strömungskanäle 17 in weitem Rahmen variieren, so dass auch Lagen unterschiedlicher Konfiguration (Amplitude) und/oder Periode gewickelt und innerhalb eines Verbundkörpers 15 bzw. 16 verwendet werden können. Auch müssen die Strömungsquerschnitte 19 innerhalb eines Verbundkörpers 15, 16 nicht alle gleich groß sein.

Die erfindungsgemäße Lösung gestattet es auch durch ihre hohe Formstabilität die Blechdicke der einzelnen Blechmateriallagen zu verringern und lässt aufgrund der fertigungstechnischen unkomplizierten Verfahrungsweise vielfältige Geometrien für die Herstellung von Katalysator-Trägerkörpern bzw. Verbundkörpern zu, und es kann die katalytisch wirksame Oberfläche gegenüber herkömmlichen Katalysator-Trägerkörpern vergrößert, insbesondere derjenigen von Keramikkatalysatoren angenähert werden. Zugleich führt die mechanische Vorspannbarkeit innerhalb eines rohrförmigen Aufnah mekörpers zu einem sehr festen Verbund ohne das Erfordernis einer Fixierung der Lagekorrelation der einzelnen Blechmateriallagen zueinander, insbesondere können aufwendige Lötprozesse vollständig entfallen.

4 zeigt ein Beispiel eines gleichmäßig mit Hinterschneidungen 12 versehenen wellenförmig profilierten, gestauchten Blechmateriales 7, wie es vorzugsweise zum Wickeln oder Paketieren von Katalysator-Trägerkörpern verwendet werden kann.

5 verdeutlicht, dass es nicht erforderlich ist, stets gleichmäßige Hinterschneidungen 12 auszubilden, sondern dass auch einseitig geschränkte Strukturen in Abhängigkeit vom verwendeten Umformprozess, z.B. durch rotatorisches Stauchen nach 1E aus einem z.B. sinusförmig gewelltem Blechmaterial 3 oder durch Stauchen zwischen planparallelen Platten unter Einsatz einer Lateralkraftkomponente zu vorteilhaften Lösungen führt. Dieses ist in 5A verdeutlicht, wobei die Linien 21 Querrillen oder Sicken (z.B. im Bereich von 0,05 mm darstellen) bezeichnen, die später einen Formschluss zwischen benachbarten, paketierten bzw. gewickelten Blechmateriallagen (vgl. 2 und 3) erleichtern und zugleich dazu beitragen, die Berührungsfläche zwischen benachbarten paketierten oder gewickelten Blechlagen zu minimieren. Ein solches sinuswellenförmig profiliertes Blechmaterial wird vorzugsweise durch rotatorisches Stauchen oder durch Stauchen zwischen planparallelen Platten mit einer lateralen Vorzugsrichtung, ausgehend von einem sinuswellenförmigen Blechmaterial 3 nach den 5A und 5B zu einer einseitig geschränkten, hinterschnittenen Struktur gestaucht, unter gleichzeitiger Verringerung der Amplitude bzw. Profilhöhe des Blechmateriales 3.

Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet die Herstellung von Ausgangsmaterialien und daraus hergestellten Katalysator-Trägerkörpern (Verbundkörper) bzw. Katalysatoren mit hoher Oberflächenaktivität, erhöhter Packungsdichte durch den Wegfall nicht aktiver Bereiche (Deckbleche) und unter Einsparung aufwendiger Fügeprozesse, da derartige Blechmateriallagen unter Nutzung der federelastischen Vorspannung des Wickels oder so gebildeten Lagenpaketes in einen rohrförmigen Gehäusekörper beliebigen Querschnittes eingesetzt werden können. Kontinuierliche Prozesse lassen sich auch im Hinblick auf den Stauchvorgang zur Ausbildung der hinterschnittenen Formelemente ausführen (vgl. 1E), und es wird die zuverlässige Beibehaltung der Querschnittsflächen der Strömungskanäle während des Packungsvorganges zu dem Verbundkörper garan tiert, da die Hinterschneidungen neben einer Vergrößerung der Strömungskanaloberfläche auch zu einer zuverlässigen Bereitstellung von Abstützfläche der einzelnen Blechmateriallagen gegeneinander führen.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines profilierten Blechmateriales, insbesondere eines Katalysator-Trägerkörpers, eines Wärmetauscherbleches oder eines anderen Blechmateriales mit einer oberflächenintensiven Wirkfläche, wobei aus einem flachen Blechmaterial (1) ein wellenförmig profiliertes Blechmaterial (3) erzeugt wird und anschließend eine Wellenstruktur des gewellten Blechmateriales (3) umformtechnisch mit hinterschnittenen Formelementen (12, 13) unter Bildung von im wesentlichen parallelen Strömungskanälen (19) versehen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mit den hinterschnittenen Formelementen (12, 13) versehene Blechmaterial (3) zu einem Verbundkörper (15, 16) gewickelt oder paketiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Querschnitt der Strömungskanäle (14) durch eine horizontal oder vertikal auf das gewellte Blechmaterial (3) einwirkende Stauchkraft bestimmt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das gewellte Blechmaterial (3) während eines vertikalen Rückstauchens mit zumindest einem Klemmstempel (4.1, 4.2) festgehalten wird.
Vertahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das gewellte Blechmaterial (3) zur Ausbildung hinterschnittener Formelemente (12, 13) einem rotatorischen Stauchen mittels profilierter Stauchwalzen unterzogen wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stauchwalzen unter einem Winkel zu einer Durchlaufrichtung des gewellten Blechmateriales (3) geneigt angeordnete Profilierungen aufweisen.
Vertahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass dem gewellten Blechmaterial (3) in Verbindung mit der Ausbildungen von Wellungen und/oder der hinterschnittenen Formelemente (12, 13) zu mindest im Bereich von Scheiteln der Wellungen Formelemente (21), insbesondere zur Förderung einer form- und/oder kraftschlüssigen Abstützung benachbarter Wellungen nach einer Wicklung oder Paketierung des Blechmateriales (3) zu einem Verbundkörper (15, 16) verliehen werden.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Paketieren oder Wickeln des mit hinterschnittenen Formelementen (12, 13) versehenen, wellenförmig profilierten Blechmateriales (7) zu einem Verbundkörper in mehreren Lagen (9.1, 9.2; 11.1, 11.2) unter Nutzung einer profilimanenten Federelastizität des wellenförmig profilierten Blechmateriales (3) erfolgt.
Vertahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das wellenförmig profilierte Blechmaterial (3) in einem kontinuierlichen Prozess hergestellt wird.
Vertahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das mit den hinterschnittenen Formelementen (12, 13) versehene, wellenförmig profilierte Blechmaterial (7) in einzelne Abschnitte getrennt und zur Bildung abfolgender Lagen (9.1, 9.2; 11.1, 11.2) paketiert wird.
Vorrichtung zur Herstellung eines profilierten Blechmateriales, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Profilierungsanordnung (2.1, 2.2) zur Bildung eines wellenförmig profilierten Blechmateriales (3), eine anschließend Stauchvorrichtung (6) für das wellenförmig profilierte Blechmaterial (3) zur Ausbildung von hinterschnittenen Formelementen (12, 13) an dem wellenförmig profilierten Blechmaterial (3), die im wesentlichen parallele Strömungskanäle (19) begrenzen.
Vorrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch zumindest einen Klemmstempel (4.1, 4.2) stromauf der Stauchanordnung (6) zum Festhalten des wellenförmig profilierten Blechmateriales (3) während des Stauchens.
Vorrichtung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch ein Paar Klemmstempel (4.1, 4.2) mit einander entgegengesetzt gerichteten und lateral versetzt angeordneten Klemmstempeln (4.1, 4.2).
Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Walzenanordnung ein Walzenpaar (2.1, 2.2) aufweist.
Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Stauchanordnung (6) einen in Durchlaufrichtung des wellenförmig profilierten Blechmateriales (3) zur vertikalen Stauchung bewegbaren Stauchschlitten (6) und stromauf eine Aufnahmeeinheit (5) für verdichtetes, mit hinterschnittenen Formelementen (12, 13) versehenem, wellenförmig profiliertem Blechmaterial (7) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die vertikale Stauchung des wellenförmig profilierten Blechmateriales eine Stauchung in Laufrichtung des Blechmateriales (3) ist.
Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 14, gekennzeichnet durch opponierend bewegbar horizontale Stauchplatten (6a), zwischen denen das wellenförmig profilierte Blechmaterial angeordnet und mit hinterschnittenen Formelementen (12, 13) versehen ist.
Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass stromab des das Blechmaterial (1) mit Wellungen versehenden Walzenpaares (2.1, 2.2) ein Stauchwalzenpaar mit opponierend angeordneten, profilierten Stauchwalzen vorgesehen ist, deren Profilierungen (20) vorzugsweise zur Durchlaufrichtung des wellenförmig profilierten Blechmateriales (3) geneigt sind.
Wellenförmig profiliertes Blechmaterial, insbesondere Katalysator-Trägermaterial, mit im wesentlichen parallelen, in abfolgender Anordnung durch hinterschnittene Form elemente (12, 13) begrenzten Strömungskanälen (19).
Wellenförmig profiliertes Blechmaterial nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanäle durch die hinterschnittenen Formelemente verengt oder im wesentlichen zu einem Hohlprofil geschlossen sind.
Wellenförmig profiliertes Blechmaterial nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich von Scheiteln der Wellungen und/oder im Bereich von hinterschnittenen Formelementen (12, 13) Abstütz-Formelemente, insbesondere in Laufrichtung des wellenförmig profilierten Blechmateriales (3) verlaufende Rillen (21) vorgesehen sind.
Wellenförmig profiliertes Blechmaterial nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanäle (14) im wesentlichen gleiche Querschnittsflächen aufweisen.
Wellenförmig profiliertes Blechmaterial nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanäle (19) durch gleichmäßig symmetrisch ausgebildete, hinterschnittene Formelemente (12, 13) begrenzt sind.
Wellenförmig profiliertes Blechmaterial nach zumindest einem der vofiergehenden Ansprüche 18 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanäle (19) durch einseitig beschränkte, asymmetrisch ausgebildete, hinterschnittene Formelemente (12, 13) begrenzt sind
Metallischer Verbundkörper, insbesondere Katalysator-Trägerkörper aus gewickeltem oder paketiertem Blechmaterial mit im wesentlichen parallelen Strömungskanälen, dadurch gekennzeichnet, dass das die Strömungskanäle (19) bildende, mehrlagig angeordnete Blechmaterial (7) durch hinterschnittenen Formelemente (12, 13) begrenzt sind.
Metallischer Verbundkörper nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 23 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte Blechmateriallagen (9.1, 9.2; 11.1, 11.2) unter direkter Abstützung vermittels der hinterschnittenen Formelemente (12, 13) gegeneinander abgestützt sind.
Metallischer Verbundkörper nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 23 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abstützung benachbarter Blechmateriallagen kraft- und/oder formschlüssig vorgesehen ist.
Metallischer Verbundkörper nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 23 bis 27, gekennzeichnet durch einen Wickel oder einen Stapel von Lagen (9.1, 9.2; 11.1, 11.2) aus wellenförmig profiliertem, gestauchtem Blechmaterial (7), die zwischenlagenfrei gegeneinander direkt abgestützt sind.
Metallischer Verbundkörper nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 23 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass miteinander in abstützenden Kontakt befindliche Scheitel und/oder hinterschnittene Formelemente (21, 22) benachbarter Blechmateriallagen Abstütz-Formelemente, insbesondere in Laufrichtung des Blechmateriales verlaufende Rillen, zur Lagefixierung benachbarter Blechmateriallagen und/oder Minimierung von Kontaktflächen zwischen benachbarten Blechmateriallagen aufweisen.
Metallischer Verbundkörper nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 23 bis 29, gekennzeichnet durch eine Aufnahme des Verbundkörpers (15, 16) in einem zumindest im wesentlichen geschlossenen Hohlprofil unter elastsicher Vorspannung.
Katalysator aus einem katalytisch beschichteten Katalysator-Trägerkörper, bestehend aus einem metallischen Verbundkörper (15, 16) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 23 bis 27.