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Die vorliegende Erfindung betrifft
einen metallischen Wabenkörper,
insbesondere einen Wabenkörper
für eine
Abgasanlage eines Verbrennungsmotors. Solche Wabenkörper werden
als Träger
für katalytisch
aktives Material und/oder für
Adsorbermaterial und ähnliche
Anwendungen eingesetzt.
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Insbesondere zur Reinigung von Abgasen bei
Kraftfahrzeugen eingesetzte metallische Wabenkörper müssen sehr unterschiedliche
Anforderungen erfüllen,
teilweise müssen
dabei Kompromisse zwischen sich widersprechenden Anforderungen erzielt werden.
Zunächst
einmal dienen solche Wabenkörper
zur Bereitstellung einer möglichst
großen
Oberfläche,
an der die gewünschten
katalytischen Reaktionen oder Adsorptionsprozesse ablaufen können. In vielen
Anwendungsfällen
wird eine geringe Wärmekapazität gewünscht, damit
sich der Wabenkörper entweder
schnell auf seine gewünschte
Betriebstemperatur aufwärmt
oder aber auch eine hohe Wärmekapazität, damit
er die Betriebstemperatur eine längere
Zeit behalten kann, sich aber nicht zu schnell auf zu hohe Temperaturen
aufheizen lässt.
Natürlich muss
eine solche Anordnung generell mechanisch stabil sein, d. h. einer
pulsierenden Gasströmung
widerstehen und mechanischen Belastungen durch die Bewegung des
Fahrzeuges standhalten können. Sein
Material muss hochtemperaturkorrosionsfest sein und sich zumindest
so bearbeiten lassen, dass die gewünschten Wabenkörperstrukturen
leicht und kostengünstig
herstellbar sind. In vielen Fällen
werden auch besondere Strukturen innerhalb des Wabenkörpers zur
Strömungsbeeinflussung
benötigt, beispielsweise
zur besseren Kontaktierung der Oberfläche oder zur Quervermischung.
Schließlich
muss ein geeigneter Wabenkörper
in Massenproduktion preisgünstig
hergestellt werden können.
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In zahlreichen Dokumenten zum Stand
der Technik sind einzelne Aspekte der obigen Problemstellungen ausführlich beschrieben.
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Man unterscheidet vor allem zwei
typische Bauformen für
metallische Wabenkörper.
Eine frühe Bauform,
für die
die
DE 29 02 779 A1 typische
Beispiele zeigt, ist die spiralige Bauform, bei der im wesentlichen
eine glatte und eine gewellte Blechlage aufeinandergelegt und spiralförmig aufgewickelt
werden. Bei einer anderen Bauform wird der Wabenkörper aus
einer Vielzahl von abwechselnd angeordneten glatten und gewellten
oder unterschiedlich gewellten Blechlagen aufgebaut, wobei die Blechlagen zunächst einen
oder mehrere Stapel bilden, die miteinander verschlungen werden.
Dabei kommen die Enden aller Blechlagen außen zu liegen und können mit
einem Gehäuse
oder Mantelrohr verbunden werden, wodurch zahlreiche Verbindungen
entstehen, die die Haltbarkeit des Wabenkörpers erhöhen. Typische Beispiele dieser
Bauformen sind in der
EP
0 245 737 B1 oder der WO 90/03220 beschrieben. Auch seit
langem bekannt ist es, die Blechlagen mit zusätzlichen Strukturen auszustatten,
um die Strömung
zu beeinflussen und/oder eine Quervermischung zwischen den einzelnen
Strömungskanälen zu erreichen.
Typische Beispiele für
solche Ausgestaltungen sind die WO 91/01178, die WO 91/01807 und
die WO 90/08249. Schließlich
gibt es auch Wabenkörper
in konischer Bauform, gegebenenfalls auch mit weiteren zusätzlichen
Strukturen zur Strömungsbeeinflussung.
Ein solcher Wabenkörper
ist beispielsweise in der WO 97/49905 beschrieben. Darüber hinaus
ist es auch bekannt, in einem Wabenkörper eine Aussparung für einen
Sensor freizulassen, insbesondere zur Unterbringung einer Lambdasonde.
Ein Beispiel dafür
ist in der
DE 88 16
154 U1 beschrieben.
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Seit langer Zeit ist es auch bekannt,
geschlitzte Bleche, insbesondere Streckmetall- und ähnliche
Schlitzstrukturen für
Wabenkörper
einzusetzen. Einen Überblick über verschiedene
Formen und Anordnungen von Öffnungen
in Blechlagen von Katalysatorträgerkörpern gibt
die
US 5,599,509 mit
dem darauf zitierten Stand der Technik. Dort werden Öffnungen
gezielt eingesetzt, um die Wärmekapazität im vorderen
Bereich eines Wabenkörpers
gegenüber dem
hinteren Bereich zu verringern.
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Obwohl der umfangreiche Stand der
Technik viele verschiedene Entwicklungsrichtungen zulässt, bildeten
sich einige wenige Entwicklungstrends aus. Einer dieser Trends ist
die Entwicklung in Richtung immer dünnerer Metallfolien, um bei
geringem Materialeinsatz und geringer Wärmekapazität eine große Oberfläche bereitstellen zu können. Offenkundiger Nachteil
dieser Entwicklungsrichtung ist, dass die dünnen Folien mechanisch immer
empfindlicher und die daraus hergestellten Wabenkörper weniger
haltbar werden. Gleichzeitig entwickelte sich ein Trend in Richtung
immer höherer
Zelldichten, was in gewissen Grenzen durch die immer dünneren Folien
bedingt ist. Zur Verbesserung des Stoffaustausches mit den Oberflächen eines
Wabenkörpers
wurden in die Oberflächen
Strukturen zur Strömungsbeeinflussung eingebracht,
insbesondere sogenannte transversale Strukturen oder es wurden im
Inneren eines Wabenkörpers
Strömungsleitflächen oder
zusätzliche
Anströmkanten
geschaffen. Obwohl die Vorteile von Öffnungen in den Blechlagen
für eine
Quervermischung bekannt sind, wurde das systematische Vorsehen von
für ein
Fluid frei durchgängigen Öffnungen
in einem überwiegenden
Teil des Katalysatorvolumens bisher praktisch nicht in Betracht
gezogen, weil dies dem Trend entgegenläuft, immer größere Oberflächen in
immer kleineren Volumina zur Verfügung zu stellen. Während Schlitze
und/oder Strömungsleitflächen und ähnliche
Strukturen die Oberfläche
in einem Wabenkörper
nicht verringern, verringern zahlreiche Löcher in erheblichem Maß die Oberfläche und
bedeuten zudem, zumindest wenn die Löcher durch Entfernen von Material
entstehen, einen Mehrverbrauch an Ausgangsmaterial ohne entsprechenden
Zuwachs an Oberfläche,
was dem Trend ebenfalls entgegenläuft. Daher wurden Löcher nur
in Betracht gezogen, wenn sie ein bestimmte Funktion an einer bestimmten
Stelle des Wabenkörpers
haben sollten, beispielsweise die Quervermischung oder die Verringerung
der Wärmekapazität gegenüber anderen
Bereichen.
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Diese Betrachtungsweise war isoliert
für einen
metallischen Wabenkörper
sicherlich zutreffend, jedoch darf nicht übersehen werden, dass später ein metallischer
Wabenkörper
mit einem Beschichtungsmaterial beschichtet wird, welches in vielen
Fällen auch
noch teure Edelmetalle als katalytisch aktive Komponente enthält. Dadurch
bedeutet eine große Oberfläche immer
auch eine große
Menge an teurem Beschichtungsmaterial. Durch Versuche hat sich überraschenderweise
herausgestellt, dass bei bestimmter Dimensionierung von Größe, Verteilung
und Dichte einer Vielzahl von Löchern über einen
Wabenkörper
sich bei kleinerer Oberfläche
gleich gute Eigenschaften zur katalytischen Umsetzung ergeben wie
bei einem Wabenkörper
ohne Löcher
und mit einer größeren Menge
an Beschichtungsmaterial.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es daher, einen metallischen Wabenkörper zu schaffen, der durch
geeignete Anzahl, Dimensionierung und Verteilung von Löchern besonders
geeignet ist als Träger
für eine
Beschichtung, insbesondere bei sparsamer Verwendung des Beschichtungsmaterials.
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Zur Lösung dieser Aufgabe dient ein
metallischer Wabenkörper
gemäß dem Anspruch
1. Dieser Wabenkörper
mit einer axialen Länge
aus Blechlagen, die so strukturiert sind, dass der Wabenkörper von
einem Fluid, insbesondere dem Abgas einer Verbrennungsmaschine in
einer Strömungsrichtung
von einer einströmseitigen
Stirnseite zu einer ausströmseitigen
Stirnseite durchströmbar
ist, wobei die Blechlagen zumindest in Teilbereichen eine Vielzahl von Öffnungen
aufweisen, zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass der Wabenkörper in
einem Teilvolumen von mindestens 55 % seiner axialen Länge und
mindestens 20 mm radialer Abmessung in allen Blechlagen Löcher aufweist,
wobei folgendes gilt:
Die Löcher
haben jeweils eine Fläche
von 1 und 120 mm2,
In dem Teilvolumen
ist die Blechlagenoberfläche durch
die Löcher
um 10 bis 80 %, vorzugsweise 35 bis 60 %, gegenüber einer ungelochten Blechlage
reduziert,
das Teilvolumen hat jeweils einen Abstand von den Stirnseiten
des Wabenkörpers,
sodass keine Löcher die
stirnseitigen Ränder
der Blechlagen berühren oder überschneiden.
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Es hat sich bei Versuchen gezeigt,
dass ein erfindungsgemäßer Wabenkörper mit
Löchern
aufgrund der verbesserten Strömungseigenschaften
in seinem Inneren und die dadurch entstehenden besseren Stoffaustauscheigenschaften
zwischen Strömung
und Oberfläche
in seiner Wirkung einem Wabenkörper
ohne Löcher
vergleichbar, unter Umständen
sogar überlegen
ist, obwohl weniger Beschichtungsmaterial eingesetzt wird. Die Löcher sind
so groß,
dass sie einerseits nicht durch Beschichtungsmaterial beim Beschichten
verschlossen werden und dass sie andererseits auch nicht' durch Partikel in
einem zu reinigenden Fluid verstopft werden. Es handelt sich also
nicht um Löcher
wie bei einem Filter zur Zurückhaltung
von Partikeln, sondern um Öffnungen, die
frei von einem zu reinigenden Fluid, insbesondere einem Abgas eines
Verbrennungsmotors durchströmt
würden
können.
Aus fertigungstechnischen Gründen
und wegen der späteren
Haltbarkeit ist es wichtig, dass die stirnseitigen Ränder nicht
durch Löcher
oder Teile von Löchern
ausgefranst werden, weshalb die Löcher einen Abstand zu den Stirnseiten haben
sollen.
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Wie bereits ausgeführt, haben
die Löcher eher
Vorteile als Nachteile, weshalb das mit Löchern ausgestattete Teilvolumen
mehr als 60 %, vorzugsweise mehr als 90 % des gesamten Wabenkörpervolumens
betragen sollte. Auf diese Weise lässt sich der positive Effekt
am stärksten
zur Geltung bringen.
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Aus mechanischen und strömungstechnischen
Gründen
ist es günstig,
wenn die Löcher
jeweils eine Fläche
von 5 bis 60 mm2 aufweisen. In dieser Größenordnung
lassen sie sich leicht herstellen, stören nicht einen Beschichtungsprozess
und bringen die obigen Vorteile des besseren Stoffaustausches zur
Geltung. Löcher
dieser Größenordnung
erlauben eine gute Quervermischung und erlauben auch eine Wärmeabfuhr
vom Inneren des Wabenkörpers
nach außen,
nicht nur durch Wärmeleitung,
sondern auch durch Wärmestrahlung,
welche durch die Löcher
hindurch in weiter außen
liegende Bereiche gelangt. Je größer die
Gesamtfläche
der Löcher
gegenüber
der Gesamtfläche
der restlichen Blechlagen ist, desto stärker sind natürlich diese
Effekte.
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Im Stand der Technik sind für vergleichbare Anwendungen
fast ausschließlich Öffnungen
in den Blechlagen beschrieben, welche eckige Konturen aufweisen.
Dies ist aus mechanischer Sicht bei hohen Wechselbelastungen nicht
von Vorteil, weil es zur Rissbildung ausgehend von den Ecken der
Löcher
kommen kann. Deshalb werden bei der vorliegenden Erfindung gerundete
Konturen der Löcher bevorzugt,
sodass die Begrenzungslinien der Löcher keine Ecken, insbesondere
keine spitzen Winkel aufweisen. Besonders bevorzugt sollen die Löcher rund, oval
oder elliptisch sein, wobei es empfehlenswert ist, bei nicht runden
Formen ein Verhältnis
von größtem Durchmesser
zu kleinstem Durchmesser von zwei nicht zu überschreiten.
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Solche Löcher können allerdings nicht materialsparend
hergestellt werden wie z. B. bei Streckmetall möglich, sondern müssen durch
Entfernen des Materials aus einer ganzflächigen Blechlage hergestellt
werden. Das vorzugsweise ausgestanzte oder ausgeschnittene Material
kann jedoch zur Herstellung neuer Blechlagen wiederverwendet werden.
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Bevorzugt können je nach Art der Herstellung
der Blechlage die Löcher
auch schon beim Herstellungsprozess ausgespart werden , was insbesondere
für Galvanoplastisch
hergestellte Materialen in Betracht kommt. Bei einem Herstellungsverfahren, bei
dem zunächst
ein billiges Material hergestellt und später durch Beschichten, z. B.
mit Aluminium und/oder Chrom, veredelt wird, empfiehlt es sich,
die Löcher
herzustellen, bevor die Veredelung mit weiteren Materialien stattfindet.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung
ist, dass die Wärmkapazität eines
Wabenkörpers
mit Löchern natürlich geringer
ist als die Wärmekapazität eines Wabenkörpers ohne
Löcher.
Dies erlaubt umgekehrt, erfindungsgemäße Wabenkörper aus dickeren Blechlagen
herzustellen ohne dass die Wärmekapazität gegenüber Wabenkörpern aus
ungelochten dünneren
Blechlagen zunimmt. Erfindungsgemäß kann die Dicke der Blechlagen
zwischen 20 und 80 μm
liegen, bevorzugt wird jedoch eine Dicke von 40 und 60 μm. Der bevorzugte
Bereich führt
zu einer besseren mechanischen Stabilität, insbesondere der Stirnseiten
eines Wabenkörpers
und erlaubt die Verwendung erprobter Herstellungsverfahren, die
sich bei sehr dünnen
Folien nicht mehr ohne weiteres anwenden lassen. Trotzdem ist die
Wärmekapazität der entstehenden
Wabenkörper
gleich oder geringer als die bei Wabenkörpern aus dünneren Folien ohne Löcher.
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Um die mechanische Stabilität eines
erfindungsgemäßen Wabenkörpers sicherzustellen,
sollten die Löcher
einen Mindestabstand von 0.5 mm aufweisen, wobei vorzugsweise alle
Abstände
zwischen den Löchern
jeweils etwa gleich groß sein
sollten, damit keine mechanischen Schwachstellen entstehen. So gestaltete
Folien lassen sich problemlos wellen und in den übrigen Arbeitsschritten zur
Herstellung von spiraligen oder geschichteten und verschlungenen
Wabenkörpern
verwenden.
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Besonders bevorzugt besteht auch
ein erfindungsgemäßer Wabenkörper, wie
die meisten im Stand der Technik bekannten, aus abwechselnd angeordneten
glatten und gewellten Blechlagen oder aus abwechselnden unterschiedlich
gewellten Blechlagen. Durch solche Strukturen entstehen die typischen
Strömungskanäle in einem
Wabenkörper.
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Aufgrund der positiven Wirkungen
der Löcher
ist für
gute Umsetzungseigenschaften der aus den Wabenkörpern später hergestellten katalytischen
Konverter nicht erforderlich, dass erfindungsgemäße Wabenkörper eine extrem hohe Zelldichte haben.
Erfindungsgemäß werden
Zelldichten zwischen 200 und 1000 cpsi (cells per square Inch) bevorzugt,
insbesondere Zelldichten von 400 und 800 cpsi.
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Die erfindungsgemäße Verwendung von Löchern in
den Blechlagen beeinträchtigt
nicht die Verwendbarkeit der Blechlagen für die meisten bisher bekannten
zusätzlichen
Strukturen zur Strömungsbeeinflussung
wie sie bei der Beschreibung zum Stand der Technik erwähnt wurden.
Insbesondere lassen sich die gelochten Blechlagen auch mit transversalen
Strukturen, mit Umstülpungen
und/oder mit Strömungsleitflächen versehen.
Im Allgemeinen unterstützen
die Löcher
die Wirkung solcher Strukturen noch, weil eventuell in den Kanälen entstehende Druckunterschiede
sich durch die Öffnungen
ausgleichen, zusätzliche
Turbulenzen entstehen und eine Vergleichmäßigung des Strömungsprofils
innerhalb des Wabenkörpers
bewirkt wird.
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Bei der im Stand der Technik vorgeschlagenen
Verwendung einer in einen Hohlraum eines Wabenkörpers eingebrachten Sonde,
insbesondere einer Lambdasonde, wirkt sich die erfindungsgemäße Ausgestaltung
eines Wabenkörpers
besonders positiv aus. Da eine Messsonde, insbesondere eine Sauerstoffmesssonde
einen möglichst
repräsentativen Wert
des im Wabenkörper
strömenden
Fluids messen soll, ist eine Quervermischung vor der Sonde von großem Vorteil.
Erfin dungsgemäße Wabenkörper eignen
sich daher besonders für
Anwendungsfälle,
in denen eine Lambdasonde in einen Hohlraum des Wabenkörpers eingebracht
werden soll.
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Fertigungstechnisch erfordert dies
einen gewissen Aufwand bei der Herstellung der Blechlagen, damit
diese nach dem Zusammenbau später
einen geeigneten Hohlraum bilden. Dieser Aufwand ist jedoch heutzutage
mit numerisch gesteuerten Fertigungsanlagen beherrschbar. Das erlaubt
gleichzeitig, nahe an den den Hohlraum begrenzenden Rändern der
Blechlagen keine Löcher
zu platzieren, um auch dort ein Ausfransen der Ränder zu vermeiden. Besonders
bevorzugt befinden sich daher keine Löcher in einem Bereich von 1
bis 5 mm um den Hohlraum für
eine Messsonde.
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Für
die Haltbarkeit eines Wabenkörpers
ist es von Vorteil, wenn die einzelnen Blechlagen untereinander
fügetechnisch
verbunden sind, vorzugsweise durch Hartlöten, was typischerweise an
den Stirnseiten eines Wabenkörpers
erfolgt. Dies ist auch ein Grund, weshalb keine Löcher die
stirnseitigen Randbereiche der Blechlagen schneiden sollten. Andererseits
können
die Löcher
auch ganz gezielt verhindern, dass an den Stirnseiten aufgebrachter
Kleber oder an den Stirnseiten aufgebrachtes Lot entlang der Berührungslinien
zwischen den Blechlagen in das Innere des Wabenkörpers dringt, was aus mechanischen
Gründen
oft unerwünscht
ist. Hier bewirken Löcher,
dass die Kapillarwirkung endet, sodass der Abstand der Löcher von
den Stirnseiten eines Wabenkörpers
auch ganz gezielt dazu eingesetzt werden kann, einen Bereich, der
durch Löten
verbunden wird, zu begrenzen.
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Ähnliches
gilt auch für
die Anbindung der Blechlagen an einem Mantelrohr. Auch dort ist
es wegen der gewünschten
sehr stabilen Verbindung zum Mantelrohr günstiger, wenn die Randbereiche
nicht von Löchern
geschnitten werden. Auch hier bewirken die Löcher im übrigen, dass das Lot nicht
durch Kapillarwirkung zu weit in das Innere des Wabenkörpers vordringen
kann, sondern genau dort bleibt, wo es zum Befestigen der Blechlagen
auch gebraucht wird.
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Die Größe des Wabenkörpervolumens
bei katalytischen Konvertern (Summe der Volumina der Blechlagen
sowie den eingeschlossenen bzw. gebildeten Kanälen, Öffnungen, Löchern etc.) hängt beispielsweise
von der Positionierung im Abgasstrang ab: Ist er im Motorraum oder
in direkter Motornähe (bis
0,5 m) angeordnet, beträgt
es üblicherweise
weniger als der Hubraum des Motors, z.B. weniger als 50 % des Hubraums,
insbesondere weniger als 1 Liter oder 0,5 Liter. Ist er im Unterboden
eines PKW angeordnet, kann das Wabenkörpervolumen auch größer als
der Hubraum des Motors sein, vorzugsweise zwischen 1 und 5 Litern.
Hiervon abweichende Werte können
sich also bei anderen Anwendungen ergeben, wie beispielsweise bei
einem Einsatz in LKW, Zweikrafträdern,
Rasenmähern,
handbetriebenen Geräten
(Heckenschere, Motorsäge,
usw.) oder ähnliches
ergeben, wobei hier der jeweilige Fachmann eine entsprechende Anpassung
vornehmen kann. Ähnliches
gilt bei Wabenkörpern,
die als Wärmetauscher,
Strömungsmischer,
Absorber, Partikelfalle, Rußfilter,
elektrischer Heizer in Abgassystemen eingesetzt werden. Auch hier
sind dem Fachmann eine Reihe von Versuchen bekannt, die eine Anpassung des
Wabenkörpervolumens
erlauben.
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Bei der Auslegung bzw. Gestaltung
des Lochmusters in der Blechlage ist ebenfalls auf den gewünschten
Einsatzzweck der Wabenkörper
abzustellen. Da in diesem Zusammenhang nicht auf Erfahrungswerte
zurückgegriffen
werden konnte, hat sich in Versuchen gezeigt, dass die Effekte der Durchmischung
bzw. katalytischen Umsetzung bei gleichzeitig deutlich reduziertem
Katalysatormaterialeinsatz überraschend
gut waren, bei Blechfolien mit Löchern,
deren längste
Ausdehnung größer als die
Strukturbreite der Wellung war, insbesondere mit Löchern, bei
denen auch die kleinste Entfernung gegenüberliegender Konturen der Löcher noch
größer als
die Strukturbreite waren. Dies gilt bevorzugt für die Löcher der zumin dest teilweise
strukturierten Blechlagen, so dass die Wellung oder Struktur von den
Löchern überlagert
wird. Besonders vorteilhaft ist es, dass alle Löcher in dem mindestens einen
Teilvolumen eine Ausdehnung aufweisen, die größer als die Strukturbreite
ist. Überraschend
gute Ergebnisse lassen sich mit einem Wabenkörper erzielen, bei dessen Blechfolien
die Ausdehnung des Lochs wenigstens doppelt, vorzugsweise viermal,
insbesondere sechsmal, so groß wie
die Strukturbreite ist.
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Ausführungsbeispiele und Einzelheiten
der Erfindung, auf die diese jedoch nicht beschränkt ist, werden im folgenden
anhand der Zeichnungen näher erläutert, und
zwar zeigen:
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1 Eine
Blechlage zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Wabenkörpers,
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2 eine
perspektivische, teilweise aufgebrochene Ansicht eines erfindungsgemäßen Wabenkörpers,
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3 einen
teilweise aufgebrochenen katalytischen Konverter mit einem erfindungsgemäßen Wabenkörper und
einem Hohlraum für
eine Lambdasonde in schematischer Seitenansicht,
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4 eine
schematische und perspektivische Darstellung einer gewellten Blechlage
mit Löchern
und
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5 schematisch
den Ablauf eines Verfahrens zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Wabenkörpers.
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1 zeigt
eine Blechlage 1, die entweder glatt oder gewellt sein
kann, wie sie zum Aufbau eines erfindungsgemäßen Wabenkörpers 15 Anwendung
findet. Die se Blechlage 1 hat eine Breite L, die später die
axiale Länge
L eines daraus hergestellten Wabenkörpers 15 bestimmt.
Die Ausdehnung der Blechlage 1 in der anderen Richtung
hängt vom
Bautyp des herzustellenden Wabenkörpers 15 ab. Sie kann
sehr lang sein, wenn ein spiralförmig
gewickelter Wabenkörper 15 daraus
hergestellt werden soll, oder relativ kurz, wenn sie zu einem Stapel
von mehreren solchen Blechlagen 1 gehört, der später zu einem Wabenkörper 15 verschlungen
wird. Die Dicke 26 der Blechlage 1 kann zwischen
20 und 80 μm
liegen, bevorzugt zwischen 40 und 60 μm.
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Die Blechlage 1 weist in
einem Teilbereich (hier als Abschnitt 29 gekennzeichnet)
eine große Anzahl
von Löchern 6 auf,
welche jeweils eine Lochfläche 23 zwischen
1 und 120 mm2 haben. Bevorzugt werden Löcher 6 mit
einem Durchmesser zwischen 3 und 8 mm, vorzugsweise zwischen 4 und
6 mm. Diese Löcher 6 sind
zumindest bereichsweise in einem regelmäßigen Muster angeordnet und
haben untereinander vorzugsweise gleiche Abstände D7. Dabei ist es jedoch
auch möglich,
das Muster von der einströmseitigen
Stirnseite 12 hin zur ausströmseitigen Stirnseite 13 zu
variieren, wobei beispielsweise die Löchrigkeit, die Lochdurchmesser
und/oder die Abstände
D7 vergrößert werden.
Diese Vergrößerung kann
kontinuierlich oder in Wertesprüngen
erfolgen. Auch ist nach einer Vergrößerung der Werte in einem mittleren
Bereich wieder eine Verkleinerung hin zur ausströmseitigen Stirnseite 13 zu
bestimmten Einsatzzwecken vorteilhaft. Bevorzugt sind die Löcher 6 rund
oder elliptisch oder oval mit einem größten Durchmesser R6 bis zu
8 mm. Die Abstände
D7 der Löcher 6 sind
so gewählt,
dass die Blechlagenoberfläche 24 um
10 bis 80 %, vorzugsweise 30 bis 60 %, gegenüber einer ungelochten Oberfläche reduziert ist.
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Die Blechlage 1 weist einen
einströmseitigen Randbereich 2 auf,
der frei von Löchern 6 ist.
Bevorzugt ist ein ausströmseitiger
Randbereich 3 ebenfalls frei von Löchern 6. Dies vereinfacht
die Verarbeitung der Blechlage 1, ermöglicht eine Verbindung von Blechlagen
untereinander in diesem Randbereich und verhindert, dass sich beim
Aufbau eines Wabenkörpers 15 unregelmäßig geformte
(ausgefranste) einströmseitige
Stirnseiten 12 oder ausströmseitige Stirnseiten 13 bilden.
Der einströmseitige
Randbereich hat eine Breite R2 von 1 bis 5 mm, der ausströmseitige
Randbereich 3 hat eine Breite R3 von 1 bis 5 mm. Die Blechlage 1 weist
außerdem
mindestens einen Anbindungsbereich 4 auf, mit dem die Blechlage 1 später an einem
Mantelrohr 14 befestigt werden kann. Auch dieser Anbindungsbereich 4 mit der
Breite R4 ist vorzugsweise frei von Löchern 6. Für Bauformen
von Wabenkörpern 15,
bei denen die Blechlagen 1 mit beiden Enden an einem Mantelrohr 14 befestigt
werden ist auch ein zweiter Anbindungsbereich 5 mit einer
Breite R5 frei von Löchern 6.
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Sofern aus der Blechlage 1 ein
Wabenkörper 15 hergestellt
werden soll, der einen Hohlraum 7 für die Aufnahme einer Messsonde 9 aufweist,
ist in der Blechlage 1 ein entsprechender Hohlraum 7 vorzusehen.
Dieser ist erfindungsgemäß umgeben
von einem lochfreien Rand 8, der wiederum der leichteren Verarbeitbarkeit
der Blechlage 1 und der Herstellung eines gleichmäßigen Hohlraumes 7 dient.
Die spätere
Strömungsrichtung
S eines Fluids, welches den Wabenkörper 15 durchströmen kann,
ist durch Pfeile in den Figuren angedeutet. Die Strecke B des lochfreien
Randes 8 beträgt
vorzugsweise über
den gesamten Umfang des Hohlraumes mindestens 1 mm.
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2 zeigt
eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Wabenkörpers 15, bei dem die
Abmessung 22 des gelochten Teilvolumens T schematisch angedeutet
ist. Hierbei wird die Abmessung 22 ausgehend von dem Mittelpunkt
des Querschnittes des Wabenkörpers
umfasst, es ist jedoch auch möglich,
dass das Teilvolumen T als eine Art innenliegender, ringförmigen Hohlzylinder
ausgebildet ist, bei dem die Abmessung 22 als beliebiger
Abschnitt des Durchmessers bzw. Radius des Querschnitts ist. Der
beispielhaft gezeigte Wabenkörper 15 ist spiralig
gewickelt aus einer glatten Blechlage 10 und einer gewellten
Blechlage 11, die in einem Anbindungsbereich 4 mit
einem Mantelrohr 14 verbunden sind.
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3 zeigt
schematisch in teilweise aufgebrochener Seitenansicht einen katalytischen
Konverter 28 mit einem Hohlraum 7 zur Aufnahme
einer Lambdasonde 9. Ein Abgas kann in Strömungsrichtung
S durch den katalytischen Konverter 28 strömen beginnend
von der einströmseitigen
Stirnseite 12 hin zur ausströmseitigen Stirnseite 13.
An der einströmseitigen
Stirnseite 12 befindet sich ein lochfreier Randbereich 2 und
an der ausströmseitigen
Stirnseite befindet sich ein lochfreier Randbereich 3.
Dazwischen befindet sich das gelochte Teilvolumen T welches sich
damit über
fast die gesamte axiale Länge
L des Wabenkörpers 15 erstreckt.
Der Wabenkörper 15 weist
einen Hohlraum 7 auf, der entweder nach Fertigstellung
des Wabenkörpers 15 oder
schon vorher durch geeignete Platzierung von Hohlräumen 7 in den
einzelnen Blechlagen 10, 11 hergestellt wurde.
In diesen Hohlraum 7 kann eine Messsonde 9, insbesondere
eine Sauerstoffinesssonde 9 eingebacht werden. Um gleichmäßige Ränder des
Hohlraumes 7 zu gewährleisten,
umgibt den Hohlraum 7 ein lochfreier Rand 8, in
dem die Blechlagen 10, 11 keine Löcher 6 aufweisen.
Die hier dargestellte Kombination eines Wabenkörpers 15 mit Löchern 6 und
einem Hohlraum 7 für
eine Messsonde 9 ist besonders vorteilhaft, weil die Löcher 6 stromaufwärts der
Messsonde 9 eine Quervermischung im Wabenkörper 15 erlauben
und so die Messsonde 9 einen repräsentativen Messwert für die Zusammensetzung
des Fluids im gesamten Wabenkörper 15 messen
kann.
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4 zeigt
eine schematische und perspektivische Darstellung einer gewellten
Blechlage 1 mit Löchern 6.
Die Wellungen oder Struktur der Blechlage 1 lässt sich
beispielsweise durch eine Strukturhöhe H und Strukturbreite A beschreiben.
Die obengenannten Vorteile, insbesondere im Hinblick auf die Quermischung
des Abgasstromes sowie die preiswerte Herstellung eines solchen
Wabenkörpers 15, lassen
sich in besonders gutem Maße
verwirklichen, wenn die längste
Ausdehnung R6 eines Lochs 6 größer als die Strukturbreite
A ist. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel
haben die Löcher 6 eine
Ausdehnung R6 bzw. einen Durchmesser, der in etwa dem Dreifachen
der Strukturbreite A der sinusförmigen
Wellung der Blechlage 1 entspricht. Dabei sind die Löcher 6 so
angeordnet, dass ein regelmäßiges Muster
vorliegt, bei dem jeder Wellenberg oder Wellental über die
axiale Länge
innerhalb des Abschnitts 29, der durch die ungelochten
Ränder
R3, R2, R5, (R4 nicht dargestellt) der Blechlage 1 begrenzt
wird und im Wabenkörper 15 das
Teilvolumen T bildet, zumindest von einem Loch 6 unterbrochen
ist. Bezüglich
des Anteils der Löcher 6 an
der Blechlagenoberfläche 24 sei
angemerkt, dass insbesondere die Blechlagenoberfläche 24 innerhalb
des Abschnittes 29 um 30 – 60
%, und bevorzugt die gesamte Blechlagenoberfläche 24 (also mit den
Rändern)
um 20 – 40
% reduziert wird.
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Um eine möglichst hohe Löchrigkeit
in dem Abschnitt 29 zu erreichen ist es vorteilhaft, wie
in 4 dargestellt, dass
die Abstände
D7 zwischen den Löchern
nicht größer als
einige Strukturbreiten A ausgeführt
sind, insbesondere kleiner als 5, vorzugsweise kleiner 3 Strukturbreiten
A der Blechlage 1. Aus Stabilitätsgründen ist es unter Umständen bei besonderen
Anwendungen des Wabenkörpers 15 auch
möglich,
dass die Abstände
D7 in unterschiedliche Richtungen (z.B. längs und quer) betragsmäßig voneinander
verschieden ausgeführt
sind, wobei in eine Richtung bevorzugt der gleiche Abstand D7 zwischen
den Löchern 6 eingehalten
ist.
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Nahe des Randes R2 ist zudem eine
Mikrostruktur 27 gezeigt, deren Höhe deutlich kleiner als die
Strukturhöhe
H ist. Sie dient beispielsweise der Begrenzung des Anbindungsbereiches,
da auf diese Weise ein kleiner Spalt zwischen den benachbart angeordneten
Blechlagen 1 entsteht, der während eines Lötprozesses verhindert,
dass das flüssige
Lot sich infolge von Kapillareffekten in dem Abschnitt 29 anlagert
und dort u.U. ungewünschte
Verbindungen erzeugt.
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In 5 ist
schematisch ein mögliches,
besonders geeignetes Verfahren zur Herstellung eines katalytischen
Konverters dargestellt. In einem ersten Schritt werden die Löcher 6 in
die Blechlage 1 eingebracht, wobei dies hier mechanisch
mittels einer Stanzvorrichtung 16 bewirkt wird. Im nächsten Schritt werden
die Strukturen in die gelochte Blechlage 1 mittels zwei
ineinandergreifender Profilwerkzeuge 17 erzeugt, so dass
gewellte Blechlagen 11 mit einer Strukturhöhe H und
einer Strukturbreite A vorliegen. Diese gewellten, zumindest teilweise
gelochten Blechlagen 11 werden dann mit glatten Blechlagen 10 (gelocht
oder ungelocht) zu einem Wabenkörper 15 gestapelt.
Diese Blechlagen 10, 11 werden nun miteinander
verwunden und in ein Mantelrohr 14 eingeführt. Nach
dem Stapeln und/oder Winden der Blechlagen 10, 11 ist
ggf. von Bedeutung, wie die Löcher 6 der
Benachbarten Blechlagen 10, 11 zueinander angeordnet
sind. Grundsätzlich
bietet sich die Möglichkeit,
die Löcher
zueinander auszurichten, so dass sie sich (nahezu vollständig) überlappen.
Das kann beispielsweise vorteilhaft sein, wenn erhöhte Druckverluste
(wie sie bei einer stark turbulenten Strömung auftreten können) vermieden
werden sollen. Liegt dagegen beim Eintritt in den Wabenkörper 15 eine
im wesentlichen gleichmäßige Strömung vor, so
ist es vorteilhaft, im Inneren des Wabenkörpers 15 möglichst
viele Anströmkanten
vorzusehen, die eine Verwirbelung zur Folge haben. Im letztgenannten Fall
ist es also sinnvoll, die Löcher 6 der
benachbarten Blechlagen 10, 11 versetzt zu einander
anzuordnen. Neben den Variationsmöglichkeiten hinsichtlich der
relativen Lage der Löcher 6 zueinander
ist es auch vorteilhaft, unterschiedliche Ausprägungen der Löcher 6 selbst
noch bei der Überlagerung
bzw. Überlappung
der Löcher 6 in
Betracht zu ziehen. So sind beispielsweise unterschiedliche Abstände D7 zueinander,
längste
Ausdehnung R6 oder Konturen 25 der Löcher 6 selbst, als
auch die Relativlage zueinan der in den benachbart zueinander angeordneten
Blechlagen 10, 11 miteinander zu kombinieren.
-
Nach einem Belotungsverfahren, bei
dem insbesondere die ungelochten Bereiche bzw. Ränder R1, R2, R3, R4 mit Lotmaterial
versehen werden (nicht dargestellt), werden die Blechlagen miteinander
sowie auch mit dem Mantelrohr 14 in einem Ofen 18 einer
thermischen Behandlung unterzogen, insbesondere werden sie unter
Vakuum und/oder Schutzgasatmosphäre
Hochtemperaturgelötet.
Der so hergestellt Trägerkörper 19 nun
noch mit einer katalytisch aktiven Beschichtung 20 versehen,
um ihn letztlich als katalytischen Konverter im Abgassystem eines
Kraftfahrzeuges einsetzten zu können.
-
Beschichtet wird der Trägerkörper 19 mit
sogenanntem Washcoat, der eine sehr zerklüftete Oberfläche aufweist.
Diese zerklüftete
Oberfläche gewährleistet
einerseits ein ausreichend großes Platzangebot
für die
Fixierung eines Katalysators (z.B. Platin, Rhodium etc.) und dient
andererseits zur Verwirbelung des durchströmenden Abgases, wobei ein besonders
intensiver Kontakt zum Katalysator bewirkt wird. Der Washcoat besteht
gewöhnlich
aus einer Mischung eines Aluminiumoxids der Übergangsreihe und mindestens
einem Promoteroxid wie beispielsweise Seltenerdoxiden, Zirkonoxid,
Nickeloxid, Eisenoxid, Germaniumoxid und Bariumoxid.
-
Das Auftragen der die Katalyse fördernden hochoberflächigen Washcoat-Schicht
erfolgt bekanntermaßen
in der Weise, dass der Wabenkörper 15 bzw.
der Trägerkörper 19 in
eine flüssigen
Washcoat-Dispersion getaucht oder mit dieser besprüht wird.
Nun besteht aber gerade bei den gelochten Blechlagen 11 die
Gefahr, dass die Washcoat-Dispersion die Löcher 6 überzieht
und sie verschließt. Damit
würde sich
in dem Teilvolumen T des Wabenkörpers 15 eine
geringere Löchrigkeit
einstellen als erwünscht,
wodurch einerseits die Quermischung der Abgasteil ströme, die
durch das Auftreffen des Abgases auf die wabenförmige Gestaltung der Stirnseite 12 des
Wabenkörpers 15 gebildet
werden, vermindert wird, und zusätzlich
zuviel Washcoat-Dispersion benötigt
wird. Aus diesem Grund erfolgt der Beschichtungsvorgang mit einer
Vibrationsanlage 21, welche eine Relativbewegung zwischen
der Washcoat-Dispersion und dem Trägerkörper 19 erzeugt. Diese
Relativbewegung umfasst insbesondere kontinuierliches und/oder diskontinuierliches
Schwingen, impulsartige Anregung (z.B. ähnlich einem Hammerschlag)
oder ähnliche
Stimulierungen des Trägerkörpers 19,
welche auch in beliebiger Reihenfolge miteinander und/oder in verschiedene
Richtungen kombiniert werden können.
-
Erfolgt eine direkte Anregung der
Washcoat-Dispersion, so hat sich beispielsweise eine Frequenz im
Ultraschall-Bereich als besonders vorteilhaft erwiesen. Die Anregung
erfolgte in einem Frequenzbereich von 20 kHz bis 10 MHz. Insbesondere bei
einer indirekten Anregung, also beispielsweise aufgrund einer Vibration
des Trägerkörpers 19,
haben sich Frequenzen im hörbaren
Bereich bewährt, wobei
insbesondere eine Anregung mit einer Frequenz zwischen 20 Hz und
15 kHz ein Abfallen der Viskosität
der Washcoat-Dispersion über
einen sehr langen Zeitraum sichergestellt hat. Das hat zur Folge, dass
eine gleichmäßige Verteilung
der Dispersion gewährleistet
ist. Weiter hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, den
Trägerkörper 19 abschließend, insbesondere
nach dem Auftauchen aus dem Beschichtungsbad, noch einmal impulsartig
anzuregen, um sicher zu stellen, dass keine Löcher 6 mehr von der
Washcoat-Dispersion überzogen
sind.
-
Nachdem die überschüssige Washcoat-Dispersion entfernt
ist, wird der Washcoat im Wabenkörper
getrocknet und abschließend
bei Temperaturen meist über
450 °C kalziniert.
Während
des Kalzinierens werden die flüchtigen
Bestandteile der Washcoat-Dispersion ausgetrieben, so dass eine
temperaturbeständige
und katalysefördernde
Schicht mit hoher spezifischer Oberfläche erzeugt wird. Gege benenfalls
wurde dieser Vorgang mehrfach wiederholt, um eine gewünschte Schichtdicke
zu erreichen.
-
Die vorliegende Erfindung erlaubt
es, bei den meisten bekannten Bauformen von Wabenkörpern mit
verringertem Einsatz von Beschichtungsmaterial hohe Wirksamkeit
der Beschichtung zu erreichen für die
Behandlung eines Fluides und dabei noch Eigenschaften bezüglich mechanischer
Stabilität,
Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit
und dergleichen eines Wabenkörpers
gezielt den Bedürfnissen
einzelner Anwendungsfälle
anpassen zu können.
-
- 1
- Blechlage
- 2
- einströmseitiger
Randbereich
- 3
- ausströmseitiger
Randbereich
- 4
- Anbindungsbereich
- 5
- Anbindungsbereich
- 6
- Loch
- 7
- Hohlraum
- 8
- lochfreier
Rand
- 9
- Lambdasonde
- 10
- glatte
Blechlage
- 11
- gewellte
Blechlage
- 12
- einströmseitige
Stirnseite
- 13
- ausströmseitige
Stirnseite
- 14
- Mantelrohr
- 15
- Wabenkörper
- 16
- Stanzvorrichtung
- 17
- Profilwerkzeug
- 18
- Ofen
- 19
- Trägerkörper
- 20
- Beschichtung
- 21
- Vibrationsanlage
- 22
- Abmessung
- 23
- Lochfläche
- 24
- Blechlagenoberfläche
- 25
- Kontur
- 26
- Dicke
- 27
- Mikrostruktur
- 28
- Katalytischer
Konverter
- 29
- Abschnitt
- A
- Strukturbreite
- H
- Strukturhöhe
- B
- Strecke
- L
- axiale
Länge
- R2
- Breite
des einströmseitigen
Randbereichs
- R3
- Breite
des ausströmseitigen
Randbereichs
- R4
- Breite
des Anbindungsbereiches
- R5
- Breite
des Anbindungsbereiches
- R6
- längste Ausdehnung
eines Loches
- D7
- Abstand
zwischen zwei Löchern
6
- S
- Strömungsrichtung
- T
- Teilvolumen