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Diese Anmeldung betrifft ein Werkzeug zur Beschichtung monolithisch geformter Träger.
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Die Eindämmung von Abgasen aus Kraftfahrzeugen ist von großer Bedeutung, da die Zahl der Autos enorm zunimmt, insbesondere in den Ländern Ostasiens. Weltweit wird mit einigen Vorschriften zur Luftreinhaltung versucht, die Verschmutzung der Luft durch Kraftfahrzeuge auf entsprechenden Höhen zu halten. Immer strengere Gesetze dies betreffend zwingen Autohersteller und -zulieferer zur Anwendung von Techniken zur Eindämmung von giftigen Schadstoffen, die aus Verbrennungsmotoren von Fahrzeugen kommen. Ein technisches Gebiet betrifft die katalytische Verbrennung von Abgasschadstoffen an oder in einem sogenannten monolithischen Wabenkörper, der entweder einem Durchstrom- oder einem Wandstromtyp entspricht.
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Normalerweise bestehen solche monolithischen Körper z.B. aus Metall oder Cordierit und müssen mit einer Schicht überzogen werden, die katalytisch aktiv ist, um die giftigen Schadstoffe im Abgas unter Fahrbedingungen zu zerstören. Eine große Verbesserung wurde durch eine chemische Modifizierung der katalytisch aktiven Schichten in Bezug auf die Hauptreaktionen der Schadstoffe in einer oxidativen oder reduktiven Abgasumgebung erreicht. Ein zweiter Ansatz besteht darin, bestimmte Beschichtungsstrategien anzuwenden, um eine möglichst hohe Aktivität mit den vorhandenen Materialien zu erreichen. Somit befassen sich mehrere frühere Patentanmeldungen mit Standardprozessen und Vorrichtungen/Ausrüstungen für die Beschichtung der monolithischen Träger. Die folgenden als Beispiele ausgewählten Patentveröffentlichungen heben jeweils Aspekte solcher Prozesse hervor, wie Beschichtungsvorrichtungen, Beschichtungsverfahren oder spezielle Einheiten einer Beschichtungsstation (
WO9947260A1 ;
US4550034 ;
US4039482 ;
WO9748500A1 ;
US6478874B1 ;
US20020178707A1 ;
DE19781838T1 ;
WO2011080525A1 ;
US4191126 ;
US6627257B1 ;
US6548105B2 ;
US20080107806A1 ;
US6149973 ;
US6753294B1 ).
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Um die Beschichtung der monolithischen Körper [kurz: Monolithen] weiter zu verbessern, wurde ein Beschichtungswerkzeug angegeben, das es ermöglicht, während des Gebrauchs den betreffenden Monolithen in möglichst kurzer Zeit zu beschichten, um eine hohe Aktivität zu gewährleisten und gleichzeitig die Produktionskosten zu senken.
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Ein solches Werkzeug wird in der Patentanmeldung
WO2015140630 beschrieben, die ein Beschichtungswerkzeug abdeckt, das Folgendes umfasst:
Eine erste Einrichtung zum reversiblen Halten und Fixieren eines Katalysatormonolithen, der mit einem Washcoat beschichtet werden soll;
eine zweite Einrichtung zur Steuerung des Zustroms des Washcoat in den Monolithen;
wobei die zweite Einrichtung so an der ersten Einrichtung befestigt wird, dass die zweite Einrichtung während des Beschichtungsprozesses mit dem Washcoat in Kontakt kommt, bevor dieser den Monolithen erreicht;
wobei die zweite Einrichtung die Form einer Platte mit Löchern aufweist, die im Gebrauch eine Einlassseite, die dem Washcoat zugewandt ist, und eine Auslassseite, die dem Monolithen zugewandt ist, aufweisen, und mit Kanälen, die eine Verbindung von der Einlassseite zur Auslassseite bereitstellen, durch die hindurch der Washcoat strömen kann;
wobei zumindest ein Teil dieser Kanäle eine asymmetrische Kanalbreite entlang ihrer Achse aufweisen, die auf der Washcoat-Einlassseite breiter ist als an einer Stelle innerhalb der Kanäle.
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Durch die Anwendung eines solchen Beschichtungswerkzeugs wird der Washcoat, der auf oder in den Monolithwänden aufgetragen werden soll, dazu gezwungen, zuerst durch die asymmetrischen Löcher der zweiten Einrichtung zu strömen, bevor er mit dem monolithischen Trägerkörper in Kontakt kommt. Die asymmetrischen Löcher erzielen eine gleichmäßigere Verteilung der Washcoat-Zone innerhalb des monolithischen Trägerkörpers und ermöglichen in einem beträchtlichen Ausmaß eine Beschleunigung des Beschichtungsschritts. Letzten Endes können mehr Katalysatoren produziert werden, die den Anforderungen entsprechen, was zu stark verbesserten Zykluszeiten führt (im Vergleich zu einer Standard-Werkzeugausrüstung 20 %–50 % Zeiteinsparung pro Beschichtungsvorgang), was daher zu einer Senkung der Stückkosten führt.
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Obwohl dieses bekannte Beschichtungswerkzeug eine Verbesserung der Zykluszeit für die Beschichtung eines einzelnen Monolithen ermöglicht, unterliegt es weiterhin Beschränkungen hinsichtlich der Kapazität für die Katalysatorbeladung (und somit die Beschichtung), da sie einen Beschichtungsprozess nur für jeweils einen Katalysator erlaubt.
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Es besteht daher nach wie vor ein Bedarf an der Verbesserung der Zykluszeiten während des Beschichtens und an einer weiteren Verkürzung der Beschichtungszeit pro behandeltem Werkstück, um eine weitere Senkung der Kosten des Beschichtungsprozesses zu erreichen.
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Daher ist es das Ziel der vorliegenden Erfindung, diese Notwendigkeit einer Senkung der Beschichtungskosten pro Werkstück durch die Schaffung eines Beschichtungswerkzeugs zu erfüllen, das Folgendes umfasst:
- – Eine erste Einrichtung zum reversiblen Halten und Fixieren einer Vielzahl von Katalysatormonolithen, die eine Innenfläche aufweisen, die mit einem Washcoat beschichtet werden soll,
- – eine zweite Einrichtung zum Steuern des Zustroms des Washcoats in die Monolithen während eines Beschichtungsprozesses, wobei die zweite Einrichtung an der ersten Einrichtung angebracht ist und dafür ausgelegt ist, mit einem Washcoat-Behälter so verbunden zu werden, dass die zweite Einrichtung während des Beschichtungsprozesses mit dem Washcoat in Kontakt kommt, der aus dem Washcoat-Behälter abgegeben wird, bevor der Washcoat die Monolithe erreicht, wobei die zweite Einrichtung eine Vielzahl von ersten perforierten Wänden umfasst, wobei jede von den ersten perforierten Wänden für eine Fluidverbindung mit einem Monolithen ausgelegt ist, wobei die ersten perforierten Wände Löcher umfassen, von denen eine Einlassseite zum Washcoat-Behälter hin ausgerichtet ist und eine Auslassseite zum Monolithen hin ausgerichtet ist, wenn die zweite Einrichtung an der Behälterkammer angebracht ist, wobei jedes Loch einen Kanal umfasst, der eine Verbindung von der Einlassseite zur Auslassseite bereitstellt, durch die hindurch der Washcoat strömen kann; und
- – eine dritte Einrichtung zum Durchströmen, die so an der zweiten Einrichtung angebracht ist, dass die dritte Einrichtung während des Beschichtungsprozesses mit dem Washcoat in Kontakt kommt, der aus dem Washcoat-Behälter abgegeben wird, bevor er die zweite Einrichtung erreicht; wobei die dritte Einrichtung eine zweite perforierte Wand ist, die eine Vielzahl von Löchern umfasst, wobei jedes von den Löchern der dritten Einrichtung während des Beschichtungsprozesses und wenn die zweite Einrichtung am Washcoat-Behälter angebracht ist, eine Einlassseite, die zum Washcoat-Behälter hin ausgerichtet ist, und eine Auslassseite, die zur zweiten Einrichtung hin ausgerichtet ist, aufweist, wobei die Einlass- und die Auslassseiten der Löcher der dritten Einrichtung miteinander in Fluidverbindung stehen (damit der Washcoat durch diese Löcher der dritten Einrichtung strömen kann); und
- – eine Kammer, die zwischen der zweiten und der dritten Einrichtung angeordnet ist, wobei die Kammer einen geschlossenen Hohlraum aufweist, der mit der Einlassseite der Löcher der mehreren ersten perforierten Wände und mit der Auslassseite der mehreren Löcher der dritten Einrichtung in Fluidverbindung steht, damit der Washcoat hindurch strömen kann,
wobei die dritte Einrichtung zum Durchströmen eine Einrichtung ist, die den Washcoat während des Beschichtungsprozesses vom Washcoat-Behälter zum geschlossenen Hohlraum der Kammer strömen lässt, um den Washcoat zu homogenisieren, wenn er durch die Einrichtung zum Durchströmen strömt, wobei der geschlossene Hohlraum der Kammer ein ausreichendes Volumen aufweist, um während des Beschichtungsprozesses eine ausreichende Menge an Washcoat enthalten zu können, um die mehreren Monolithen zumindest zum Teil zu beschichten, wobei das Volumen des geschlossenen Hohlraums groß genug ist, damit der Washcoat, den die dritte Einrichtung zum Durchströmen strömen lässt, während des Beschichtungsprozesses in der Kammer in einem homogenen Zustand gehalten werden kann.
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Wenn das Beschichtungswerkzeug an einem Washcoat-Behälter einer Beschichtungskammer angebracht ist, ermöglicht es während des Gebrauchs in der Beschichtungskammer eine gleichzeitige und ähnliche (oder gleiche) Beschichtung der mehreren Monolithen in einer einzigen Zyklusperiode von einer Länge, die gleich oder nur wenig länger ist als die Zyklusperiode, die sich ergibt, wenn man das Einzelbeschichtungswerkzeug verwendet, das in
WO2015140630 beschrieben ist, so dass die Bilanz aus der Zahl der Monolithe, die anhand der Verwendung des Mehrfach-Beschichtungswerkzeugs beschichtet werden, und der Beschichtungszeit in Bezug auf diese Verwendung positiv bleibt.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung beginnt ein Beschichtungszyklus (kurz: Zyklus), wenn die Monolithe mit der Beschichtungskammer, die mit der ersten Einrichtung verbunden ist, in Fluidverbindung gebracht werden.
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Die Beschichtungskammer umfasst: i) den Washcoat-Sammelbehälter; ii) die dritte Einrichtung; iii) die Kammer; und iv) die erste und die zweite Einrichtung.
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Nachdem die Monolithe mit der als Unterlage dienenden ersten Einrichtung in Fluidverbindung gebracht worden sind, wird der Washcoat aus dem Washcoat-Behälter zur Innenfläche des Monolithen gepumpt.
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Der Washcoat wird durch die dritte Einrichtung zum Durchströmen in der Kammer befördert und ferner gleichzeitig und auf wiederholbare Weise über jede der perforierten Wände der zweiten Einrichtung in jedem der Monolithe verteilt.
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Der Begriff „gleichzeitig“ bezeichnet hier die Tatsache, dass alle Monolithe in der gleichen Zeit beschichtet werden.
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Der Begriff „wiederholbar“ bedeutet hier, dass eine Beschichtung bei jedem dem Monolithe, der unter Verwendung des Beschichtungswerkzeugs gemäß der vorliegenden Erfindung beschichtet wird, im wesentlichen gleich ist, vorzugsweise was ihre Beschichtungsdicke und die Verteilung der Zusammensetzung betrifft.
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Wenn das Beschichten durchgeführt wird, wird nach einer vorgegebenen Zeit, über die der Washcoat in die Monolithen gepumpt und dort gehalten wird, Washcoat, der nicht auf die Monolithen oder deren Innenflächen aufgebracht worden ist, abgezogen, beispielsweise über eine Niederdruckabsaugung, und der Zyklus endet, sobald die beschichteten Monolithe aus ihren Trägereinrichtungen (den ersten Einrichtungen) freigegeben worden sind.
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Die in einem Zyklus durchgeführte gleichzeitige und wiederholbare mehrfache Beschichtung der mehreren Monolithen (wobei die Monolithe auf der ersten Einrichtung liegen und mit der zweiten Einrichtung in Fluidverbindung stehen), wird dadurch gewährleistet, dass in dem Beschichtungswerkzeug Folgendes gegeben ist: i) die dritte Einrichtung zum Durchströmen, die aufgrund ihrer Fluidverbindung mit der zweiten Einrichtung während der Verwendung des erfindungsgemäßen Beschichtungswerkzeugs im Beschichtungsprozess eine Homogenisierung des Washcoats ermöglicht, der aus dem Washcoat-Behälter zur Kammer geliefert wird; und ii) dass die Kammer ein vorgegebenes Volumen hat, das es ermöglicht, nicht nur den gelieferten Washcoat, während er in der Kammer verweilt, von einem ersten Zeitpunkt, zu dem er aus dem Washcoat-Behälter durch die dritte Einrichtung zum Diffundieren diffundiert, bis zu einem zweiten Zeitpunkt, zu dem er aus der Kammer zur Innenfläche der zu beschichtenden Monolithe zurückführt wird, in der Form einer homogenen flüssigen Zusammensetzung zu halten, sondern auch den Washcoat in der Kammer während einer vorgegebenen Verweilzeit auf einer gleichbleibenden Viskosität zu halten.
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In der Tat wirkt im Kontext der vorliegenden Erfindung die Kammer als Pufferzone zwischen dem Washcoat-Behälter (in dem der Washcoat eine instabile und daher nicht gleichbleibende Viskosität aufweist, d.h. eine Viskosität, die sich während der Zeit, wo er in einem solchen Behälter vorgehalten wird, ständig ändert) und der Innenfläche der zu beschichtenden Monolithe, um den Washcoat während seiner Verweilzeit homogen zu halten, was auch eine stabile Viskosität beinhaltet. Die dritte Durchströmung ermöglicht die Überführung einer homogenen Menge des Washcoat aus dem Behälter in die Kammer. Die zweite Einrichtung ermöglicht die Steuerung des Zustroms des stabilen und homogenen Washcoat in einem vorgegebenen internen Volumen, das durch die Innenfläche der Monolithe definiert wird.
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Daher müssen im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Begriffe „Homogenisierung“ und „homogen“ in ihrem Bezug auf einen Washcoat verstanden werden, der nicht heterogen ist, d.h. wo das beschichtungsaktive Material in Form einer homogenen Suspension in einem flüssigen Trägermittel vorliegt, und wo die Suspension während ihrer Verweilzeit in der Kammer eine stabile und konstante Viskosität zeigt.
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Aufgrund der Homogenität und der Stabilität des Washcoats in der Kammer ist die Beschichtung, die aus dem Prozess unter Verwendung des Beschichtungswerkzeugs gemäß der vorliegenden Erfindung resultiert: i) homogen und gleichmäßig auf der Innenfläche von jedem der Monolithe abgeschieden; und ii) wiederholbar, so dass die gleichmäßige Beschichtung zwischen den einzelnen Monolithen von den mehreren Monolithen, die eine im Wesentlichen gleiche zu beschichtende Innenfläche aufweisen, im Wesentlichen ähnlich ist, wobei die Monolithe gleichzeitig beschichtet werden.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung bevorzugter und nichtbeschränkender Ausführungsformen der Erfindung deutlich werden.
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In einer ersten Ausführungsform weist die dritte Einrichtung zum Durchströmen eine Gesamtoberfläche S auf, an der die Löcher vorhanden sind, und weist eine Lochkonzentration auf, die im Bereich von 20 % bis 40 % der Oberfläche S einschließlich der genannten Werte liegt.
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Vorzugsweise weist in der ersten Ausführungsform die Oberfläche S der dritten Einrichtung zum Durchströmen eine Lochkonzentration auf, die im Bereich von 25 % bis 35 %, stärker bevorzugt von 30 % bis 35 %, noch stärker bevorzugt bei 30 % der Oberfläche S einschließlich der genannten Werte liegt.
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Noch stärker bevorzugt ist jedes der Löcher der dritten Einrichtung zum Durchströmen so gestaltet, dass es eine Gesamtfläche Σs = s1 + s2 + ... + sn, in Bezug auf eine Abfolge von Löchern s1 bis sn, die an der Oberfläche S der dritten Einrichtung zum Durchströmen vorhanden sind, von maximal 50 %, vorzugsweise von 25 % bis 35 %, stärker bevorzugt von 25 % bis 35 %, noch stärker bevorzugt von 45 % bis 55 % der Gesamtfläche S aufweist.
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Die spezifische Konzentration von Löchern, die an der Oberfläche der dritten Einrichtung vorhanden sind, ermöglicht während des Beschichtungsprozesses eine optimale Ausgewogenheit zwischen der Zeit zum Füllen der Innenvolumina der Monolithe mit dem Washcoat aus dem Washcoat-Behälter einerseits und der Zeit zum Leeren der Innenvolumina der Monolithe (von nicht aufgebrachtem Washcoat) nach der Imprägnierung ihrer Innenflächenschicht.
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Eine maximale Oberfläche Σs von höchstens 55 % (vorzugsweise von 25 % bis 35 %, stärker bevorzugt von 45 % bis 55 %, noch stärker bevorzugt von höchstens 50 %) der Gesamtfläche S für jedes Loch der dritten Einrichtung zum Durchströmen ermöglicht eine Verbesserung der Homogenisierung des Washcoats während des Beschichtungsprozesses, wenn er aus dem Washcoat-Sammelbehälter zu der Kammer befördert wird. Außerdem steht mit dieser maximalen Oberfläche Σs auch eine Öffnung in Beziehung, die ausreicht, um den nicht aufgebrachten Washcoat nach dem Beschichten innerhalb eines Zeitraums, der ausreicht, um eine gute Ausgewogenheit zwischen Befüllungsdauer/Leerungsdauer zu gewährleisten, zu entfernen, so dass der Mehrfachbeschichtungs-Funktionszyklus eine Verkürzung der Beschichtungszeit pro zu beschichtendem Werkstück ermöglicht.
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Optional ist jedes von den Löchern h1 bis hn gekennzeichnet durch eine Oberfläche s1 bis sn, die einen Wert aufweist, der höchstens 1,0 % bis 3,0 %, vorzugsweise 1,5 % bis 2,5 % der Gesamtfläche S der dritten Einrichtung zum Durchströmen ausmacht.
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In einer zweiten Ausführungsform weist die dritte Einrichtung zum Durchströmen die Form einer Platte auf, wobei die Platte einen geometrischen Mittelpunkt aufweist, wobei die Löcher der dritten Einrichtung zum Durchströmen entlang mehrerer abstandsgleicher Radien verteilt sind, die vom geometrischen Mittelpunkt ausgehen.
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Diese zweite Ausführungsform ermöglicht eine bessere Homogenisierung des Washcoats, wenn dieser aus dem Washcoat-Behälter zur Kammer gepumpt wird.
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Vorzugsweise sind die Löcher der dritten Einrichtung zum Durchströmen in der zweiten Ausführungsform gleichförmig.
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Dadurch ist eine weitere Verbesserung der Homogenisierung des Washcoats beim Eintritt in die Kammer möglich.
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Stärker bevorzugt sind in dieser zweiten Ausführungsform an jedem Radius der Platte die Löcher in regelmäßigen Abständen verteilt, so dass ein konstanter Abstand zwei einander am nächsten benachbarter Löcher trennt, die auf einem Radius liegen.
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Dies ermöglicht einerseits eine Optimierung der Homogenisierung des Washcoats beim Eintritt in die Kammer und andererseits eine gleichmäßige Absaugung, um überschüssigen Washcoat in dem Substrat zu entfernen.
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In einer Alternative zur zweiten Ausführungsform sind die Löcher rillenförmig und entlang der einzelnen Radien verteilt, wobei jedes der Löcher eine solche Lochlänge L und eine solche Lochbreite ℓ aufweist, dass es ein Verhältnis L/ℓ aufweist, das zwischen 10 und 30, vorzugsweise zwischen 10 und 25, stärker bevorzugt zwischen 10 und 20 und noch stärker bevorzugt zwischen 10 und 15 liegt, jeweils einschließlich der genannten Werte.
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Bei einem solchen alternativen Design, bei dem die Löcher der dritten Einrichtung zum Durchströmen rillenförmig sind, müssen die Löcher langgestreckt und eng genug sein, um während des Beschichtungsprozesses eine Homogenisierung des Washcoats, wenn dieser aus dem Washcoat-Sammelbehälter zu der Kammer befördert wird, zu ermöglichen, aber nicht zu eng, um das Leeren der Monolithe nach der Imprägnierung kurz genug zu halten, um eine positive Bilanz in Bezug auf die Anzahl der Monolithe/die Zykluszeit zu erhalten.
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In einer dritten Ausführungsform ist der geschlossene Hohlraum definiert durch eine zylindrische Form mit einer Basis, bei der es sich um die plattenförmige dritte Einrichtung zum Durchströmen handelt, und einer Oberseite, bei der es sich um die zweite Einrichtung handelt, wobei der zylindrisch geformte geschlossene Hohlraum einen ersten Durchmesser aufweist, der breiter ist als ein zweiter durchschnittlicher Durchmesser der Löcher und der Kanäle von jeder der perforierten ersten Wände der zweiten Einrichtung.
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Bei einer solchen Anordnung wird während des Beschichtens der Washcoat, der auf die Monolithe oder deren Innenwände aufgebracht werden soll, gezwungen, aus dem geschlossenen Hohlraum zuerst durch den Kanal jedes Loches der ersten perforierten Wände zu strömen, bevor er mit der Innenfläche der Monolithe in Kontakt kommt. Da der Durchmesser der zylindrischen Kammer breiter ist als der Durchmesser der Löcher der zweiten Einrichtung, wird der Washcoat, wenn er aus dem geschlossenen Hohlraum der Kammer zu den Kanälen der Löcher der zweiten Einrichtung strömt, beschleunigt, und dies führt zu einer noch gleichmäßigeren Verteilungszone innerhalb von jedem der Monolithe, wodurch der Fortgang im Beschichtungsschritt in erheblichem Maße beschleunigt werden kann.
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In einer vierten Ausführungsform weist die plattenförmige dritte Einrichtung zum Durchströmen eine konkavähnliche Form auf, mit einer konkaven Wölbung in einer Richtung, die der zweiten Einrichtung entgegengesetzt ist.
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Diese vierte Ausführungsform eignet sich besonders dann, wenn eine Klappe in Form einer Rundplatte verwendet wird, um eine Verbindung zwischen der dritten Einrichtung zum Durchströmen und dem Washcoat-Behälter hermetisch zu verschließen oder zu öffnen. In einer solchen Ausführungsform ist die Rundplattenklappe dafür bestimmt, mit der konkav geformten Durchströmungsplatte zusammenzuwirken, so dass die Klappe, wenn das Beschichtungswerkzeug am Washcoat-Behälter angebaut ist, in einem offenen Hohlraum verstaut wird, der von einem Teil der Oberfläche S der dritten Einrichtung definiert wird, die dem Washcoat-Behälter zugewandt ist.
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Jede der oben beschriebenen ersten bis vierten Ausführungsformen kann mit einer oder mehreren der zuvor beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden.
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Die in dieser Beschreibung verwendeten Bezugszeichen betreffen die beigefügte Zeichnung, in der:
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1 eine Querschnittsansicht des erfindungsgemäßen Beschichtungswerkzeugs ist.
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2 eine Draufsicht auf die zweite Einrichtung des Beschichtungswerkzeugs (eine Sicht in Richtung auf den Washcoat-Sammelbehälter von der Seite der ersten Einrichtung aus) gemäß der vorliegenden Erfindung ist.
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3 eine Querschnittsansicht der dritten Einrichtung zum Durchströmen, die mit der zweiten Einrichtung verbunden ist, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist.
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4 eine Ansicht von unten auf die dritte Einrichtung zum Durchströmen von 2 ist, die an ihrer Oberseite mit der zweiten Einrichtung des Beschichtungswerkzeugs verbunden ist (eine Sicht in Richtung auf die erste Einrichtung von der Seite des Washcoat-Sammelbehälters aus).
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Wie in 1 dargestellt ist, umfasst das Beschichtungswerkzeug zur Verwendung in einem Beschichtungsprozess eine erste Einrichtung 1 zum reversiblen Halten und Fixieren mehrerer Katalysatormonolithen.
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In der konkreten Ausführungsform, die in 1 offenbart ist, ist die erste Einrichtung so gestaltet, dass sie an ihrer Außenfläche mindestens zwei Monolithe an zwei verschiedenen Plätzen S1 und S2 reversibel halten und fixieren kann (2 zeigt, dass in einer anderen bevorzugten Ausführungsform die erste Einrichtung drei Plätze S1 bis S3 aufweist).
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In einer optionalen Ausführungsform ist die erste Einrichtung 1 des Beschichtungswerkzeugs mit einer Vorrichtung zum Halten und Fixieren eines monolithischen Trägerkörpers ausgestattet. Diese Funktion ist reversibel, so dass ein Träger in der ersten Einrichtung 1 arretiert werden kann, bevor der Beschichtungsschritt beginnt, und nach dem Ende der Beschichtung freigegeben werden kann. Für einen Fachmann liegt es auf der Hand, dass die Halteeinrichtung so sein sollte, dass kein Washcoat aus dem Beschichtungswerkzeug entweichen kann, sondern nur durch die jeweiligen monolithischen Träger selbst. Um dies zu gewährleisten, umfasst die erste Einrichtung 1 einen aufblasbaren Balg, der an jedem von den mindestens zwei Plätzen S1 und S2 vorhanden ist, wobei dieser Balg in der Lage ist, den monolithischen Träger, der an dem Körper an dem Platz positioniert wird, durch Aufblasen und Entleeren des Balges reversibel zu halten und zu fixieren. Der Balg kann z.B. aus irgendeinem gummiartigen, luftdichten Material bestehen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Balg auf solche Weise an der ersten Einrichtung 1 fixiert, dass er, wenn er aufgeblasen ist, auf der einen Seite gegen die erste Einrichtung 1 und auf anderen Seite gegen den Monolithen drückt, und dass das Aufblasen durch Pumpen von Gas in das Innere des aufblasbaren Balges vonstatten geht, wie beim Aufpumpen eines Fahrradschlauchs. Nachdem der Beschichtungsschritt durchgeführt wurde, ermöglicht das Leeren des Balges die Freigabe des Monolithen aus dem Beschichtungswerkzeug.
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Das Beschichtungswerkzeug umfasst eine zweite Einrichtung 2 zur Steuerung des Zustroms des Washcoats in die Monolithen während des Beschichtungsprozesses. Die zweite Einrichtung ist an der ersten Einrichtung angebracht und ist dafür ausgelegt, auf solche Weise mit einem Washcoat-Behälter 3 verbunden zu werden, dass die zweite Einrichtung 2 während des Beschichtungsprozesses mit dem Washcoat in Kontakt kommt, der aus dem Behälter 3 geliefert wird, bevor er die Monolithe erreicht.
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Die zweite Einrichtung umfasst eine Vielzahl von ersten perforierten Wänden 4 (siehe auch 2).
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Jede von den ersten perforierten Wänden 4 ist für eine Fluidverbindung mit einem Monolithen ausgelegt. Außerdem umfasst jede von den perforierten Wänden 4 Löcher 5. Wenn die zweite Einrichtung 2 am Washcoat-Behälter 3 angebracht ist, weist jedes der Löcher eine Einlassseite 5a, die dem Washcoat-Behälter 3 zugewandt ist, und eine Auslassseite 5b auf, die den Monolithen zugewandt ist.
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Jedes Loch umfasst einen Kanal 6, der eine Verbindung von der Einlassseite 5a zur Auslassseite 5b bereitstellt, durch die der Washcoat strömen kann. Optional ist bei jedem Loch der Durchmesser des Kanals dem Durchmesser auf sowohl der Einlass- als auch der Auslassseite gleich.
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Damit man die Möglichkeit hat, während des Beschichtungsprozesses eine prozessbegleitende Steuerung durchführen zu können, weist das Werkzeug in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform in jeder der perforierten Wände der zweite Einrichtung mindestens ein Loch auf, das bereit ist, einen Sensorfinger zur Überwachung der Ausführung des Beschichtungsprozesses in seinem Kanal
6 aufzunehmen. Der Washcoat-Füllstand im Beschichtungswerkzeug wird gemessen, um festzustellen, wann der Washcoat die Sonde erreicht; dieser Füllstand ist der Nullpunkt für das Pumpen einer exakten Menge des Washcoat in den Monolithen, um eine exakte Höhe der Washcoat-Zone in dem zu beschichtenden Monolithen zu erreichen, falls dies gewünscht ist. Der Sensorfinger kann jeder Sensor sein, der dem Fachmann bekannt ist oder der aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Leitfähigkeits-, Kapazitäts- und optischen Sensoren besteht. Der Sensor ist mit einer Steuereinheit verbunden, die das Voranschreiten des Beschichtungsprozesses steuert. Vorzugsweise wird eine Beschichtungsstation wie beispielsweise in
EP2533901A1 dargestellt in diesem Zusammenhang verwendet. Der erfahrene Techniker weiß, wie er die Hard- und Software anordnen muss, damit diese zusammenwirken.
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Die zweite Einrichtung 2 ist mit einer dritten Einrichtung zum Durchströmen 7 verbunden.
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Die dritte Einrichtung zum Durchströmen 7 ist an der zweiten Einrichtung 2 so angebracht, dass die dritte Einrichtung 7 während des Beschichtungsprozesses mit dem Washcoat in Kontakt kommt, der aus dem Washcoat-Behälter 3 geliefert wird, bevor dieser die zweite Einrichtung 2 erreicht.
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Die dritte Einrichtung zum Durchströmen 7 ist eine zweite perforierte Wand, die eine Vielzahl von Löchern 8 aufweist, wobei jedes von den Löchern 8 der zweiten perforierten Wand 7 während des Beschichtungsprozesses und wenn die zweite Einrichtung am Washcoat-Behälter 3 angebracht ist, eine Einlassseite 8a, die dem Washcoat-Behälter zugewandt ist, und eine Auslassseite 8b, die der zweiten Einrichtung 2 zugewandt ist (siehe 2), aufweist. Die Einlass- und Auslassseiten 8a, 8b der Löcher 8 der dritten Einrichtung 7 stehen miteinander in Fluidverbindung, so dass der Washcoat durch die Löcher 8 der dritten Einrichtung 7 strömen kann.
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Das Beschichtungswerkzeug umfasst eine Kammer 9, die zwischen der zweiten Einrichtung 2 und der dritten Einrichtung 7 angeordnet ist.
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In der bevorzugten Ausführungsform, die in 1 dargestellt ist, gewährleistet die Kammer den hermetisch dichten Übergang zwischen dem Washcoat-Behälter 3 und der zweiten Einrichtung 2.
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Die Kammer umfasst einen geschlossenen Hohlraum 10, der mit der Einlassseite 5a der Löcher der mehreren ersten perforierten Wände 4 und der Auslassseite 8b der mehreren Löcher 8 der dritten Einrichtung 3 in Fluidverbindung steht.
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In der Ausführungsform des Beschichtungswerkzeugs, die in 1 dargestellt ist, wird der geschlossene Hohlraum 10, der in der Kammer 9 eingebettet ist, von einer zylindrischen Form definiert, die eine Basis, bei der es sich um eine plattenförmige dritte Einrichtung zum Durchströmen 7 handelt, und eine Oberseite aufweist, bei der es sich um die zweite Einrichtung 2 handelt. Dieser zylindrisch geformte geschlossene Hohlraum weist einen ersten Durchmesser d1 auf, der breiter ist als ein zweiter durchschnittlicher Durchmesser d2 der Löcher 5 von jeder der perforierten Wände 4 der zweiten Einrichtung 2.
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Der geschlossene Hohlraum 10 der Kammer weist ein ausreichendes Volumen V auf, so dass er während des Beschichtungsprozesses eine ausreichende Menge an Washcoat zur Beschichtung von zumindest Teilen der mehreren Monolithe enthalten kann. Außerdem ist das Volumen V des geschlossenen Hohlraums 10 groß genug, damit der Washcoat, der durch die dritte Einrichtung zum Durchströmen 7 diffundiert, während des Beschichtungsprozesses in der Kammer 9 in einem homogenen Zustand gehalten werden kann.
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Die dritte Einrichtung zum Durchströmen 7 des Beschichtungswerkzeugs ist eine Einrichtung, die den Washcoat während des Beschichtungsprozesses aus dem Washcoat-Behälter 3 in den geschlossenen Hohlraum 10 der Kammer 9 strömen lässt, um den Washcoat zu homogenisieren, wenn er durch die Einrichtung zum Durchströmen strömt.
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3 liefert eine Querschnittsansicht der dritten Einrichtung zum Durchströmen, die mit der zweiten Einrichtung verbunden ist, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
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In dieser bevorzugten Ausführungsform ist die dritte Einrichtung zum Durchströmen so gestaltet, dass sie mit einer Klappe zusammenwirkt. Die Klappe ist dafür ausgelegt, die Verbindung mit dem Washcoat-Behälter und mit einem Niederdruck-Sammelbehälter, in den überschüssiger Washcoat nach dem Beschichtungsprozess gesaugt wird, zuzulassen und zu unterbrechen. Die Klappe kann eine Rundplatte sein. Wenn sich die Klappe öffnet, kann sie jedoch an das Beschichtungswerkzeug stoßen. Aus diesem Grund kann das Beschichtungswerkzeug auf der Einlassseite (zur Klappe hin) eine konkavähnliche Form aufweisen, um der sich öffnenden Klappe genügend Platz zu lassen.
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In der bevorzugten Ausführungsform kann die konkav geformte dritte Einrichtung zum Durchströmen eine konische Form aufweisen mit einer Basis, die für eine Fluidverbindung mit dem Niederdruck-Sammelbehälter durch die Klappe hindurch und mit dem Washcoat-Behälter 3 ausgelegt ist.
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Die konisch geformte dritte Einrichtung zum Durchströmen 7 ist an ihrem oberen Rand 7a, der der Basis entgegengesetzt ist, mit einer Rückseite RS der zweiten Einrichtung 2 verbunden.
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Nachdem die konisch geformte dritte Einrichtung zum Durchströmen 7 mit der zweiten Einrichtung verbunden worden ist, wird die Kammer 9 definiert zwischen einer Außenfläche SE, die der Rückseite der zweiten Einrichtung zugewandt ist; der Rückseite der zweiten Einrichtung 2; und einer Seitenwand 11, welche die Außenfläche SE der dritten Einrichtung zum Durchströmen und die Rückseite RS der zweiten Einrichtung miteinander verbindet. Bei dieser speziellen Anordnung wird der geschlossene Hohlraum 10 der Kammer 9 begrenzt durch die Seitenwand 11, die Rückseite RS der zweiten Einrichtung 2 und die Außenfläche SE der dritten Einrichtung zum Durchströmen 7.
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4 ist eine Ansicht von der Basis der dritten Einrichtung zum Durchströmen aus.
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In der bevorzugten Ausführungsform der dritten Einrichtung zum Durchströmen 7 von 4 weist die Einrichtung zum Durchströmen 7 eine Gesamtoberfläche S auf, die eine Konzentration von Löchern 8 aufweist, die im Bereich von 20 % bis 40 % der Oberfläche S liegt, jeweils einschließlich der genannten Werte, wobei jedes Loch der dritten Einrichtung zum Durchströmen eine solche Oberfläche s aufweist, dass eine Summe Σs = s1 + s2 + ... + sn in Bezug auf eine Abfolge von Löchern s1 bis sn, die an der Oberfläche S der dritten Einrichtung vorhanden sind, 45 %, vorzugsweise 50 %, stärker bevorzugt 55 % der Gesamtoberfläche S nicht überschreitet.
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Im Kontext dieser Ausführungsform besteht die Gesamtoberfläche aus der Außenfläche auf einer apikalen Seite der dritten Einrichtung zum Durchströmen, die direkt mit der zweiten Einrichtung verbunden ist und aus einer der Außenfläche entgegengesetzten Innenfläche auf einer Rückseite der dritten Einrichtung zum Durchströmen.
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Genauer haben die Löcher 8 der dritten Einrichtung zum Durchströmen 7 eine Rillenform und sind entlang von jedem von mehreren abstandsgleichen Radien R, die von einem geometrischen Mittelpunkt GC einer der Basis entgegengesetzten Oberseite der dritten Einrichtung zum Durchströmen ausgehen, verteilt. Im Rahmen der Ausführungsform von 4 ist die Oberseite eine Scheibe mit einem Mittelpunkt (bei dem es sich um den geometrischen Mittelpunkt der Scheibe und somit auch der dritten Einrichtung zum Durchströmen handelt), vom dem aus die Radien auf der Oberfläche S der dritten Einrichtung zum Durchströmen ausgehen. Die Radien weisen erste Enden, die sich am geometrischen Mittelpunkt der Scheibe treffen, und zweite Enden, die zur Basis und zur dritten Einrichtung zum Durchströmen hin ausgerichtet sind, auf. Bei all diesen Radien sind die zweiten Enden zweier einander benachbarter Radien jeweils durch einen abstandsgleichen Trennungsabstand voneinander beabstandet.
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Bei der konkreten, aber nicht beschränkenden Ausführungsform, die in 4 dargestellt ist, ist die Anzahl der Radien R gleich 18, und zwei einander am nächsten benachbarte Radien (beispielsweise R1 und R2) sind durch einen Winkel a von 20 Grad voneinander getrennt.
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Darüber hinaus weist jedes der rillenförmigen Löcher 8 eine Lochlänge L und eine Lochbreite ℓ auf, dass es ein Verhältnis L/ℓ aufweist, das zwischen 10 und 30, vorzugsweise zwischen 10 und 25, stärker bevorzugt zwischen 10 und 20 und noch stärker bevorzugt zwischen 10 und 15 liegt, jeweils einschließlich der genannten Werte.
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Im Betrieb nimmt das Beschichtungswerkzeug, das zuvor durch eine Klappe hindurch mit dem Washcoat-Behälter 3 und mit dem Niederdruck-Sammelbehälter verbunden worden ist, n Monolithe an seinen Plätzen S1 bis Sn auf. Ein Beschichtungszyklus beginnt, wenn jeder Monolith reversibel so an seinem Platz gehalten und fixiert wird, dass er mit einer perforierten Wand 4 der zweiten Einrichtung 2 in Fluidverbindung steht.
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Die Klappe wird so ausgerichtet, dass sie den Washcoat-Behälter durch das Beschichtungswerkzeug hindurch mit dem Innenvolumen der Monolithe verbindet und der Washcoat anschließend aus dem Washcoat-Behälter in die Monolithe gepumpt wird.
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Während der Washcoat zu den Monolithen gepumpt wird, kann er durch die rillenförmigen Löcher 8 der dritten Einrichtung 3 hindurch nur das Volumen des geschlossenen Hohlraums 10 füllen, wobei er eine erste regionale Beschleunigung durch die Löcher 8 erfährt, was dazu führt, dass der Washcoat im Hohlraum 10 der Kammer 9 homogener ist.
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Wenn der Washcoat durch die Löcher der dritten Einrichtung zum Durchströmen strömt, wird er beschleunigt und seine Viskosität wird auf einen Schwellenwert gesenkt, so dass der Washcoat in flüssiger Form in die Kammer überführt wird.
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Während der Washcoat kontinuierlich zu den Monolithen gepumpt wird, füllt er in homogener flüssiger Form den Hohlraum 10, bevor er durch die Kanäle 6 der mehreren Löcher 5 von jeder der ersten perforierten Wände 4 befördert und durch die Auslassseite der Löcher 5 der zweiten Einrichtung ausgetrieben wird und die Innenvolumina der Monolithe füllt.
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Wenn der Washcoat aus der gefüllten Kammer zu den Monolithen befördert wird, erfährt der Washcoat durch die Kanäle 6 eine zweite regionale Beschleunigung, seine Viskosität wird weiter gesenkt und es ergibt sich eine gleichmäßigere Verteilung des Washcoats im Innenvolumen der einzelnen Monolithe und somit auch eine gleichmäßigere Beschichtungszone in den Monolithen.
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Wenn die Beschichtung durchgeführt wird, wird nach einer vorgegebenen Zeit, über die der Washcoat (vom Washcoat-Behälter zu den Monolithen) gepumpt wird und der Washcoat im Innenvolumen der Monolithe gehalten wird, das Pumpen unterbrochen und die Klappe wird in eine zweite Position gebracht, um die Verbindung zwischen dem Washcoat und den Monolithen zu unterbrechen und um die Monolithe mit einem Niederdruck-Sammelbehälter zu verbinden. Der Washcoat, der nicht aufgebracht worden ist, wird durch das Beschichtungswerkzeug hindurch aus dem Monolithen in den Sammelbehälter entfernt.
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Der Beschichtungszyklus endet, wenn die Monolithe aus der ersten Einrichtung entfernt werden.
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Ein neuer Beschichtungszyklus findet statt, wenn neue, unbeschichtete Monolithe an der ersten Einrichtung fixiert werden.
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Es versteht sich, dass die vorliegende Erfindung in keiner Weise auf die Formen der vorstehenden Ausführungsformen beschränkt ist und dass viele Modifikationen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der angehängten Ansprüche abzuweichen.
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Zum Beispiel sei klargestellt, dass in einem Fall, wo die Beschreibung eine konkav geformte dritte Einrichtung zum Durchströmen mit rillenförmigen Löchern offenbart, der Bereich der vorliegenden Erfindung auch eine dritte Einrichtung zum Durchströmen abdeckt, die: i) eine Platte sein kann (in einem Fall, wo eine andere Art von Klappe als eine Rundplattenklappe verwendet wird); ii) anstelle der rillenförmigen Löcher eine Vielzahl von Löchern aufweist, die entlang ein und desselben Radius ausgerichtet sind, vorzugsweise mit gleichen mittleren Durchmessern oder Oberflächen usw.
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Außerdem sei klargestellt, dass im Rahmen der vorliegenden Erfindung die zweite Einrichtung nicht auf die oben offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist.
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Zum Beispiel können die Zahl der Löcher von jeder der zweiten Einrichtungen, ihre Größen und ihre Verteilung abhängig von der Geometrie der Beschichtungskammer optimiert werden, die beispielsweise, aber nicht nur Folgendes einschließt: i) die Innenvolumina und/oder die Innenflächen der Monolithe. Vorzugsweise weist jeder Monolith von den mehreren Monolithen gleiche oder im Wesentlichen gleiche zu beschichtende Oberflächen und gleiche (oder im Wesentlichen gleiche) zu beschichtende Innenvolumina auf; ii) das Volumen V der Beschichtungskammer, das von der Zahl n der zu beschichtenden Monolithe abhängt, usw.
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Obwohl die Beschreibung die Zahl der zu beschichtenden Monolithe auf zwei beschränkt, sei klargestellt, dass die Mehrzahl der Monolithe pro Beschichtungswerkzeug gemäß der vorliegenden Erfindung mindestens zwei Monolithe beinhaltet. Vorzugsweise eignet sich das Beschichtungswerkzeug für die gleichzeitige Beschichtung von zwei bis fünf Monolithen. Dies bedeutet, dass die Mehrzahl der ersten perforierten Wände nicht auf zwei beschränkt ist, sondern 3, 4, 5 oder sogar 6 betragen kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 9947260 A1 [0003]
- US 4550034 [0003]
- US 4039482 [0003]
- WO 9748500 A1 [0003]
- US 6478874 B1 [0003]
- US 20020178707 A1 [0003]
- DE 19781838 T1 [0003]
- WO 2011080525 A1 [0003]
- US 4191126 [0003]
- US 6627257 B1 [0003]
- US 6548105 B2 [0003]
- US 20080107806 A1 [0003]
- US 6149973 [0003]
- US 6753294 B1 [0003]
- WO 2015140630 [0005, 0010]
- EP 2533901 A1 [0055]
