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B e s c h r e i b u n g s e i n l e i t u n g
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Bei der Herstellung von Metallsubstraten für katalytische Konverter,
katalytische Abgasschalldämpfer für Kraftfahrzeuge, die Rauchgasreinigung allgemein
und dergleichen ist es oft notwendig, ein Metallsubstrat mit elliptischem Querschnitt
verfügbar zu haben. Bisher war es außerordentlich schwierig, solche zylindrischen
Metallsubstrate mit elliptischem Querschnitt maßhaltig und ohne weiteres herzustellen,
wie sie auch mit Ovalen oder Racetracks ("Rennbahnen") bezeichnet werden. Es hat
sich jedoch gezeigt, daß bei der erfindungsgemäßen Anwendung einzeln geformter und
bemessener Dorne zylindrische Metallsubstrate mit elliptischen Querschnitt sehr
einfach hergestellt werden können.
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Metallsubstrate gemäß der Erfindung werden aus dem "Metallsubstratmaterial"
gebildet. Der im Zusammenhang mit der Erfindung hierfür verwendete Ausdruck "Metallsubstratmaterial"
(engl. ketal substrate material") steht für ein Material mit einem hohen Leerraumanteil.
Ublicherweise weist ein solches Material ein ebenes folienförmiges Metallblatt auf,
auf dem ein gewelltes, folienförmiges Metallblatt angeordnet ist. Die beiden Blätter
oder Folien können miteinander verbunden sein, oder voneinander getrennt bleiben,
bis se zu dem elliptischen, zylindrischen Metallsubstrat rorformt sind,
wobei
sie im letzten Fall mit einer ebenen Folie zwischen jeder gewellten Folienschicht
zusammengewickelt sind. Während der Ausdruck Metallsubstratmaterial eine ganze Anzahl
von Materialien mit hohem Leerraumanteil einschließen kann, die für die Umformung
in ein elliptisch-zylindrisches Metallsubstrat geeignet sind, ergibt die Aufeinanderfolge
von gewellten und glatten Folien eine besonders zweckmäßige Ausführungsform. Alternativ
zur Aufeinanderfolge einer glatten und einer gewellten Folie können auch zwei Blätter
aus gewellter Folie aneinandergelegt werden, unter der Voraussetzung, daß ihre Wellen
quer zueinander verlaufen, um zu verhindern, daß die Wellen ineinander zu liegen
kommen.
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Auch zwei aneinander liegende gewellte Folien bzw. Blätter werden
dann zu einem elliptischen, zylindrischen Metallsubstrat geformt.
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Gemäß einem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren wird ein im wesentlichen
zylindrisch-elliptisches Metallsubstrat mit einem größeren Durchmesser D, einem
kleineren Durchmesser d und einer Wellenbreite H in folgenden Verfahrensschritten
hergestellt: Verwenden einer Dornplatte mit im wesentlichen rechteckigem Querschnitt
der Länge L und einer Dicke T und mit einer Tiefe bzw. Breite von etwa H; Befestigen
einer Bahn des Metallsubstrates mit der Breite H auf einer Fläche der Dornplatte;
Wickeln
der Materialbahn aus dem Metallsubstrat um die Dornplatte, bis das Metallsubstrat
die Dornplatte mit einer im wesentlichen gleichmäßigen Dicke X umgibt, um einen
im wesentlichen elliptischen Zylinder der Breite H zu ergeben; Herstellen eines
zweiten Endes der Materialbahn aus dem Metallsubstrat; Befestigen dieses zweiten
Endes der Materialbahn an einem unter ihm liegenden Teil des gebildeten, im Querschnitt
elliptischen Zylinders. Die ungefähren Abmessungen L und T der Dornplatte sind vor
deren Umwickeln nach den Gleichungen 2X + L = D und 2X + T = d zu bestimmen. Nach
dem Festlegen der ungefähren Abmessungen werden die exakten Maße für L und T empirisch
festgelegt und dabei die Verformung des Materiales des Metallsubstrates berücksichtigt,
die dieses während des Wickelns an den Kanten der Dornplatte erfährt.
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Das Wickeln selbst kann auf mehreren Wegen durchgeführt werden, der
zweckmäßigste Weg ist jedoch das Zuordnen der Dornplatte zu einem drehenden Bauteil
und das Drehen der Dornplatte gegenüber einer Rolle aus dem Substratmaterial, das
von der Rolle ab- und auf die Dornplatte aufgewickelt wird.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist ein im wesentlichen elliptisch-zylindrisches
Metall substrat mit H^r größeren Durchmesser D, dem kleineren Durchmesser d und
der Tiefe bzw. Breite H vorgesehen, das durch fc~sende Merkmale
gekennzeichnet
ist: eine Platte mit rechteckigem Querschnitt, der Länge L und der Dicke T und mit
einer Tiefe bzw. Breite H ist in der Mitte des Substrates angeordnet und erstreckt
sich im wesentlichen zwischen den Brennpunkten des elliptischzylindrischen Metallsubstrates,
von diesen Brennpunkten seitlich begrenzt; um diese Dornplatte ist das Metallsubstrat
mehrfach herumgewickelt, wobei die Bewicklung bis zu einer im wesentlichen einheitlichen
Dicke X gewickelt ist; schließlich sind Mittel vorgesehen, die die Umwicklung und
die Dornplatte zusammenhalten. Die Dornplatte besteht vorzugsweise aus einer hochtemperatur-
und oxidationsresistenten Legierung, während die Umwicklung aus dem Metallsubstratmaterial
in einander abwechselnden Lagen einer ebenen und einer gewellten Metallfolie besteht.
Die Mittel zum Zusammenhalten des Metallsubstrates und der Dornplatte sind vorzugsweise
Schweißpunkte, mit denen das erste Ende der Metallsubstratumwicklung an der Dornplatte
befestigt und das zweite Ende der Umwicklung mit einem darunterliegenden Teil der
Umwicklung verbunden sind.
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Damit löst die Erfindung deren Hauptaufgabe, ein einfaches Verfahren
zu schaffen, mit dem die Herstellung eines brauchbaren elliptisch-zylindrischen
Metallsubstrates möglich ist und die Schaffung eines elliptisch-zylindrischen Metallsu#bstrates
selbst für katalytische Zwecke, das allgemein für
die Anwendung
bei der Rauchgasniederschlagung bzw. Abgasreinigung gut geeignet ist.
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Die Erfindung ist nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert.
In der Zeichnung zeigen Fig. 1 in perspektivischer Darstellung ein Beispiel für
ein elliptisch-zylindrisches Metallsubstrat gemäß der Erfindung, Fig. 2 in schematischer
Darstellung eine Stirnansicht eines Substrates gemäß Fig. 1, aus der die für die
Auslegung bestimmenden Abmessungen hervorgehen, Fig. 3 in schematischer Darstellung
eine Vorrichtung für die Fertigung eines Substrates gemäß Fig. 1 und Fig. 4 eine
schematisch dargestellte Draufsicht auf die Anordnung gemäß Fig. 3.
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Figurenbeschreibung Ein im wesentlichen elliptisch-zylindrisches Metallsubstrat,
d.h. ein zylindrisches Substrat mit elliptischem Querschnitt, gemäß der Erfindung
ist in dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel mit 10 bezeichnet.
Das Metallsubstrat 10 hat einen größeren Durchmesser D, einen kleineren Durchmesser
d und eine Tiefe bzw. Breite H. In der Mitte des Substrates 10 ist eine Dornplatte
12 mit im wesentlichen rechteckigem Querschnitt von der Länge L und der Dicke T
und etwa der Breite H angeordnet. Die Dornplatte 12 liegt mit ihren Enden etwa zwischen
den Brennpunkten des elliptisch-zylindrischen Metallsubstrates 10. Die Dornplatte
12 dient der leichteren Herstellung des Substrates. Ihre Abmessung ist jedoch so
gewählt, daß ihr Querschnitt im Verhältnis zum Querschnittsbereich des gesamten
metallischen Substrates relativ klein ist, um so die Wirksamkeit des Substrates
10 bei der Rauchgasreinigung und dergleichen (als ein katalytischer Abgasschalldämpfer)
nicht zu beeinträchtigen.
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Das Metallsubstrat 10 enthält ferner mehrere Hüllen 14 aus dem Material
15 des Metallsubstrates, die um die Dornplatte herum angeordnet sind und um die
Dornplatte herum die im wesentlichen gleichmäßige Dicke X haben. Das Metallsubstratmaterial
15 kann jedes geeignete Material sein,
sofern es einen großen Leerraumanteil
hat, für die Anwendung als Metallsubstrat 10 geeignet ist und letztlich für die
Anwendung beim Niederschlagen von Rauchgasen und dergleichen geeignet ist. Ein beispielsweises
Metallsubstratmaterial 15 ist in Fig. 1,2 dargestellt. Es weist ein glattes Metallfolienblatt
16 und ein gewelltes Metallfolienblatt 17 auf.
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Die Folien 16 und 17 können ständig und dauerhaft in einer Mehrzahl
von Punkten miteinander verbunden sein. Sie können jedoch auch ursprünglich unabhängig
bzw. getrennt voneinander sein und in wechselweisen Schichten aneinander anliegen,
um die Umhüllungen 14 zu ergeben (Fig. 3). Für die meisten Anwendungsfälle des Metallsubstrates
10 beim Rauchgasniederschlagen sollte die Dornplatte 12 aus einer hochtemperatur-und
oxidationsresistenten Legierung, wie z.B. 316 rostfreiem Stahl oder Inconel 600
bestehen, um den hohen Temperaturen von beispielsweise 697,4 - 972,4 0C widerstehen
zu können, denen das Metallsubstrat während seines Einsatzes ausgesetzt ist. Das
Metallsubstratmaterial 15 sollte aus einem ebenfalls für solche Einsatzbedingungen
geeigneten Material bestehen.
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Das Metallsubstrat 10 weist ferner ein Mittel auf, wie beispielsweise
Schweißpunkte 19 gemäß Fig. 1,3, um die Hüllen 14 und die Dornplatte 12 zusammenzuhalten.
Solche Schweijpunkte 19 sind zwar für den vorgesehenen Zweck gut geeignet und auch
vorgesehen, es können jedoch an ihrer Stelle auch zahlreiche
andere,
entsprechende Verbindungs- bzw. Befestigungsmittel vorgesehen sein.
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Das im Querschnitt elliptische, im wesentlichen zylindrische Metallsubstrat
10 soll mit dem Verfahren gemäß der Erfindung in einfacher Weise hergestellt werden
können, obwohl das Substrat 10 vor allem für den vorgesehenen Zweck besonders geeignet
sein soll. Eine einfache Herstellung ist insbesondere durch die Verwendung der in
besonderer Weise geformten Platte 12 als Dorn möglich. Gemäß dem Verfahren nach
der Erfindung wird als Dorn 12 eine Platte mit im wesentlichen rechteckigem Querschnitt
mit der Länge L und der Dicke T verwendet, wobei die Breite des Dornes etwa den
Wert H hat. An der einen Fläche der Dornplatte 12 wird ein Ende einer Materialbahn
W des Metallsubstrates 15 mit der Breite H befestigt (Fig. 3).
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Dann wird die Materialbahn W des Metallsubstrates um die Dornplatte
12 gewickelt, bis das die Dornplatte 12 umgebende Metallsubstrat eine gleichmäßige
Dicke X hat, um einen Zylinder der Länge H mit elliptischem Querschnitt zu ergeben.
Danach wird das zweite Ende der Materialbahn W geschaffen, und dieses Ende wird
an einem unter ihm liegenden Abschnitt des entstandenen, im Querschnitt elliptischen
Zylinders befestigt, wie es in Fig. 1 bei 19 gezeigt ist. Die ungefähren Größen
von L und T der Dornplatte 12 werden vor dem Umwickeln der Dornplatte mit den Gleichungen
2X + L = D und 2X + T = d ermittelt.
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Die Werte D und d werden entsprechend den Anforderungen ausgewählt
und danach die ungefähren Werte von L und T ermittelt. Es verformt sich jedoch das
Metallsubstratmaterial 15, indem sich beim Wickeln die Wellen an den Kanten der
Dornplatte 12 längen, wie es in Fig. 1 bei 20 dargestellt ist. Es ergeben sich deshalb
die optimalen Werte für L und T durch eine geringfügige Abwandlung der bei Anwendung
der obigen Gleichungen sich ergebenden Werte.
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Nach der Festlegung der ungefähren Abmessungen werden die genauen,
optimalen Abmessungen empirisch ermittelt. Sie betragen beispielsweise für ein 81,28
x 170,18 x (für die Länge) 76,2 mm Ovalsubstrat 10: 2X + L = 170,18 mm; 2X + T =
81,28 mm. Wird für T der Wert 3,18 mm Dicke gewählt (was sicherstellt, daß bei der
Anwendung für die Rauchgasniederschlagung und dergleichen keine wesentliche Behinderung
durch das Substrat 10 eintritt), so ergibt die Auflösung nach L: 170,18 - L = 81,28
- 3,18 oder L = 92,08 mm.
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Man kann deshalb erwarten, laß eine Dornplatte 12 mit den Maßen 92,08
x 3,18 x 76,2 mm (für H) benötigt wird.
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Infolge der Längung der Wellung der Folie 17 während des Wickelns
ergibt die empirische Festlegung die Endwerte jedoch 6,36 = T, 101,6 = L für die
Dornplatte 12 als Optimum für die Herstellung eines Ovales mit den Maßen 81,28 x
170,18 mm.
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Unter besonderer Bezugnahme auf Fig. 3 und 4 erfolgt der Abschnitt
des Wickelns innerhalb des erfindungsgemäßen Verfahrens durch das Drehen der Dornplatte
12, während das Metallsubstratmaterial 15 von einer oder mehreren Rollen R abgerollt
wird, wobei die Verwendung einer oder mehrerer Rollen vom Aufbau des Metallsubstratmateriales
abhängt. Eine beispielsweise Vorrichtung zum Drehen der Dornplatte 12 schließt vorzugsweise
ein Paar im Abstand voneinander angeordneter Scheiben 22,23 ein, in deren Mitte
je ein Zapfen 24 bzw. 25 angeordnet ist. Der Zapfen 24 ragt in eine öffnung 26 (Fig.
1) in einer Stirnseite der Dornplatte 12 hinein und ist dabei drehfest mit der Dornplatte
12 verbunden. Der Zapfen 25 ragt in eine entsprechende öffnung in der anderen Stirnseite
der Dornplatte hinein, wobei jedoch die Dornplatte gegenüber diesem Zapfen um die
gemeinsame Längsachse beider Zapfen drehbar ist. Die Scheibe 22 ist über eine Welle
30 mit einem Motor 31 verbunden, so daß dieser über die Welle 30, die Scheibe 22
und den Zapfen 24 die Dornplatte 12 um die gemeinsame Längsachse der Zapfen 24,25
drehen kann. Um die Dornplatte 12 gegenüber der Drehvorrichtung ein- und ausbauen
zu können, ist vorzugsweise eine hydraulische Kolben-Zylinder-Einheit 32 oder dergleichen
vorgesehen, die in Wirkverbindung mit der Scheibe 23 steht, um diese entlang der
Drehachse der Dornplatte 12 verstellen zu können, so daß je nach dem Abstand zwischen
den Scheiben 22,23 die Dornplatte zwischen den Scheiben gehalten oder ein- und ausgebaut
werden kann.
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In der Praxis wird für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
die Verbindung zwischen dem Substrat und der Dornplatte durch Punktschweißen bewirkt,
indem das erste Ende der Materialbahn W zunächst mit einer Fläche der Dornplatte
12 (Bezugszeichen 19 in Fig. 3) und dann das zweite Ende der Materialbahn W mit
einem darunterliegenden Teil des elliptischen Zylinders (Bezugszeichen 19 in Fig.
1) durch Punktschweißen verbunden wird. Die Materialbahn W kann genau entsprechend
der gewünschten Größe eines einzelnen Metallsubstrates vorbereitet werden, oder
sie kann nach einer bestimmten Anzahl von Umdrehungen der Dornplatte 12 von einer
fortlaufenden Materialbahn abgetrennt werden, wobei mit der Abtrennung das zweite
Ende der bereits aufgewickelten Materialbahn und das erste Ende der folgenden Materialbahn
für die Herstellung eines weiteren Substrates 10 geschaffen werden.
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Nach der Herstellung des Metallsubstrates 10 wird es katalysiert,
worauf es für die Anwendung bei der Rauchgasniederschlagung, der Abgasreinigung
und dergleichen geeignet ist, wie z.B. als Katalysator für die Abgase von Automobilmotoren,
ohne daß die Anwendung jedoch hierauf beschränkt wäre.
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Somit ist mit der Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Metallsubstrates
aufgezeigt, das zur außf-rordentlich
einfachen, trotzdem aber zuverlässigen
Herstellung des Substrates geeignet ist. Mit der Erfindung ist andererseits aber
auch ein Metallsubstrat aufgezeigt, das in zahlreichen, insbesondere maßlichen Abweichungen
in einfacher Weise herzustellen und in einem weiten Rahmen für die Anwendung bei
der Abgasreinigung geeignet ist, wenn dort elliptischzylindrische Metallsubstrate
benötigt werden.
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Die Erfindung ist anhand einer besonders zweckmäßigen Ausführungsform
beschrieben, die jedoch trotzdem nur ein Ausführungsbeispiel ist und die Erfindung
erläutern, nicht aber beschränken soll.
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Zusammenfassend kann die Erfindung nochmals wie folgt definiert werden.
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Ein im wesentlichen zylindrisches Metallsubstrat mit elliptischen
Querschnitt und das Verfahren zu seiner Herstellung sind Gegenstand der Erfindung.
Es ist eine Dornplatte mit einem im wesentlichen rechteckigen Querschnitt vorgesehen,
mit der das erste Ende einer Materialbahn aus dem metallischen Substratmaterial
verbunden wird. Das Metallsubstratmaterial weist vorzugsweise abwechselnde Lagen
einer glatten und einer gewellten Metallfolie auf. Bei einer alternativen Lösung
ist die glatte Folie durch eine weitere gewellte
Folie ersetzt.
Die Metallsubstratmaterialbahn wird um die Dornplatte gewickelt, indem die Dornplatte
gedreht und gleichzeitig die Materialbahn von einer Spule ab- und auf die Dornplatte
aufgewickelt wird, bis sie diese mit gleichmäßiger Dicke umgibt und dabei das elliptisch-zylindrische
Substrat ergibt. Ein zweites Ende der Materialbahn wird daraufhin an einem darunterliegenden
Teil der Umwicklung befestigt, so daß ein vollständiges elliptisch-zylindrisches
Metallsubstrat entsteht. Das Metallsubstrat wird abschließend vorzugsweise katalytisch
aktiviert und kann als Katalysator bei der Abgasreinigung und dergleichen verwendet
werden.
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