DE3743723C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines Traegerkoerpers fuer einen katalytischen Reaktor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und eine Vorrichtung zu dessen Durchführung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 6.

Es ist bekannt, Trägerkörper für katalytische Reaktoren zur Ab­ gasreinigung aus zwei Metallbändern durch Wickeln herzustellen, von denen eines gewellt und das andere als Glattband ausgebil­ det ist. Das glatte Metallband wird dabei unmittelbar benach­ bart zu dem Wellband aufgewickelt, so daß es ein Ineinanderrut­ schen benachbarter Lagen gewellter Bänder verhindert. Bekannt ist es auch, Trägerkörper durch Wickeln nur eines einzigen Ban­ des entsprechender Querschnittsform herzustellen, bei dem auf­ grund des Querschnittes der Wellungen ein Ineinanderrutschen benachbarter Lagen vermieden ist. Ein Problem solcher gewickel­ ter Trägerkörper, die anschließend in einem hülsenförmigen Man­ tel durch Löten befestigt werden, ist die mangelnde Elastizität des Trägerkörpers, vor allem in radialer Richtung, die ein sat­ tes Anliegen der Mantelhülse erschwert und dabei mitunter Schwierigkeiten beim Verlöten des Trägerkörpers in der Mantel­ hülse mit sich bringt. Ein weiterer Nachteil sind auch die wäh­ rend des Betriebes auftretenden Wärmespannungen, die durch die unterschiedlichen Temperaturen im Trägerkörper und an der Man­ telhülse auftreten und zu einem unerwünschten Lösen des Träger­ körpers aus der Mantelhülse führen können.

Es ist deshalb auch schon bekanntgeworden (DE-OS 35 43 011), den Trägerkörper jeweils so auszubilden, daß er mit einem Well­ band an der zugeordneten Mantelhülse zur Anlage kommt, weil da­ durch der Lötvorgang zum Befestigen des Trägerkörpers sicherer ausgeführt werden kann. Bekannt ist es auch (DE-OS 28 56 030), den Trägerkörper in seiner Mantelhülse radial zusammenzudrücken, um dadurch das satte Anliegen erreichen zu können. Die bei ge­ wickelten Trägerkörpern vorhandene mangelnde radiale Nachgie­ bigkeit des Wabenkörpers kann dadurch aber nicht beseitigt wer­ den.

Um Dehnungsprobleme bei metallischen Katalysatorträgerkörpern so weit als möglich zu vermeiden, ist es auch bekannt (DE-GM 86 12 872), zunächst einen Stapel aus gewellten und glatten Bändern zu bilden und die Enden des Stapels dann jeweils gegensinnig um zwei Fixpunkte zu verschlingen, so daß dadurch ein Trägerkörper mit in seinem Inneren S-förmig verlaufenden Metallbändern ent­ steht. Da dadurch jedes Metallband mit seinen beiden Enden am Mantelkörper anliegt, kann ein Vorteil in fügetechnischer Hin­ sicht erreicht werden. Nachteilig ist, daß keine Radialsymmetrie der Lagen und damit keine radial gleichmäßige Dehnfähigkeit ge­ geben ist.

Bekannt ist auch ein Verfahren der eingangs genannten Art (EP-A 02 45 736), bei dem die einzelnen Lagen gewickelter Metallbänder evolventenförmig von einem Zentrum nach außen verlaufend ange­ ordnet werden. Die Enden der einzelnen Metallbänder werden au­ ßen mit einem Mantel verbunden. Auf diese Weise aufgebaute Trä­ gerkörper sind in sich elastisch und können die durch techni­ sche Wechselbelastungen auftretenden Spannungen aufnehmen. Die praktische Herstellung solcher Trägerkörper, auf die beim Stand der Technik (EP-A 02 45 736) nicht eingegangen wird, bringt aber Schwierigkeiten mit sich.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das sich unter Beibe­ haltung der bekannten Wickeltechnik in einfacher Weise verwirk­ lichen läßt.

Zur Lösung dieser Aufgabe werden die kennzeichnenden Verfah­ rensmerkmale des Anspruches 1 vorgeschlagen. Es wird auf diese Weise möglich, mit dem bekannten Wickelverfahren auf einfache Weise eine mehrgängige spiralige Trägermatrix zu bilden, bei der die freien Enden aller aufgewickelten Metallbänder am Um­ fang des Trägerkörpers liegen. Ein Zusammenhalt einer so gebil­ deten Trägermatrix wird im wesentlichen von der äußeren Mantel­ hülse gewährleistet, weil die einzelnen Metallbänder aufgrund der ihnen innewohnenden Elastizität mindestens im Außenbereich des Trägerkörpers dazu neigen, sich nach außen abzuspreizen. Da durch das mehrgängige Wickelverfahren die freien Enden der einzelnen Metallbänder aber auch gleichmäßig am Umfang des fer­ tigen Trägerkörpers verteilt angeordnet sein können, entsteht ein in sich gleichmäßig elastischer Trägerkörper, der sich in sehr einfacher und sicherer Weise mit der Mantelhülse verbinden läßt. Auch Wärmedehnungen können von dem neuen Trägerkörper ausgezeichnet aufgenommen werden.

Vorteilhaft ist es nach den Merkmalen des Anspruches 2, einen Stapel von Metallbändern, die jeweils in der Mitte entsprechend geschwächt ausgebildet sein können, in dieser Mitte zusammenzu­ quetschen und dann von der Mitte aus zu verdrehen, so daß sich dann zwei jeweils spiralig aufeinander liegende Stapel ergeben, die sich zu der mehrgängigen spiraligen Trägerform wickeln las­ sen.

Da bei einer solchen Herstellungsmethode die Gefahr einer Ver­ quetschung der Metallbänder im Zentrum sehr groß ist, ist es besser, wenn nach den Merkmalen der Ansprüche 3 und 4 der Stapel von Metallbändern nicht in einer Blockform mit zueinander fluchtenden Stirnkanten gebildet wird, sondern wenn durch ver­ setztes Aneinanderfügen der Stirnenden der einzelnen, jeweils gleich langen Metallbänder ein parallelepipedförmiger Stapel gebildet wird, der sich dann so aufwickeln läßt, daß jeweils die Verbindungsstellen der einzelnen Bänder zum benachbarten Band nach innen liegen und dadurch während des Wickelns zu­ sätzlich gesichert werden. Auf diese Weise entsteht ein mehr­ gängiger, spiraliger Trägerkörper.

Zur Durchführung des neuen Wickelverfahrens können an sich, wie ausgeführt wurde, bekannte Wickeleinrichtungen verwendet werden, denen die Bänder in Stapelform zugeführt werden. Vorteilhaft wird dabei eine Wickeleinrichtung für einen Stapel von Metall­ bändern, der in der Mitte zusammengedrückt wird, vorgesehen, bei der Mitnehmer nach den Merkmalen der Ansprüche 6 und 7 von den Zinken eines gabelförmig ausgebildeten Wellenteiles gebil­ det sind, zwischen denen die Mitte des Stapels eingeklemmt wird, ehe sie der Verdrehung unterworfen werden.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens und der zur Durch­ führung vorgesehenen Vorrichtung entsteht ein charakteristi­ scher, mehrgängig spiralig gewickelter Trägerkörper, der durch eine Vielzahl unabhängig voneinander spiralförmig von einem mittleren Bereich ausgehenden und mit ihren freien Enden außen am Mantel anliegenden Metallbändern gekennzeichnet ist. Ein solcher Trägerkörper weist die eingangs geschilderten vorteil­ haften Merkmale einer guten radialen Dehnbarkeit auf.

Die Erfindung ist in der Zeichnung anhand einer Herstellungs­ möglichkeit und einer Herstellungseinrichtung gezeigt, die im folgenden erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht eines vorbereiteten Stapels von Metallbändern zum Zweck des Wickelns nach dem neuen Verfahren,

Fig. 2 die Draufsicht auf den Stapel der Fig. 1,

Fig. 3 die Einspannung des Stapels der Fig. 1 in eine dreh­ bare Halterung zum Zweck des Wickelns,

Fig. 4 eine perspektivische schematische Darstellung der Wickelhalterung der Fig. 3,

Fig. 5 die schematische Darstellung des Aufbaues eines Bandstapels, der anschließend gewickelt wird,

Fig. 6 die Einspannung des Stapels der Fig. 5 in einem Wickelkern und

Fig. 7 einen erfindungsgemäß hergestellten Trägerkörper in einer Stirnansicht.

Aus den Fig. 1 bis 4 wird das Grundprinzip des neuen Herstel­ lungsverfahrens deutlich, bei dem davon ausgegangen wird, meh­ rere, auf eine bestimmte Länge geschnittene Metallbänder jeweils mit einem ihrer Stirnenden einer drehbaren Welle so zuzuordnen, daß alle Stirnenden etwa gleichmäßig auf dem Umfang der Welle (31) verteilt und die Bänder etwa radial nach außen geführt sind. Wird die Welle in Drehung versetzt, so werden alle zunächst noch radial abstehenden Bänder um die Wickelachse spiralförmig aufge­ wickelt, so daß sich im Endzustand die in der Fig. 7 gezeigte Form ergibt. Der Vorgang des spiraligen Aufwickelns einer Me­ tallbandlage, das in bekannter Weise aus einem entsprechend ge­ wellten Band bestehen kann, das sich beim Wickeln nicht in die benachbarte Lage hereindrückt, oder die, in ebenfalls bekannter Weise, aus einem glatten und einem gewellten Band bestehen kann, wird für eine Vielzahl von Bändern durchgeführt. Die freien En­ den dieser einzelnen Bänder liegen daher - unter der Vorausset­ zung der gleichen Länge aller Bänder und des gleichmäßigen spi­ raligen Aufwickelns - am Umfang des fertigen Trägerkörpers ebenfalls gleichmäßig auf dem Umfang verteilt außen. Die Aus­ bildung zu einem mehrgängigen spiralig gewickelten Trägerkör­ per, wie er in der Fig. 7 gezeigt ist, bietet daher den Vorteil, daß der Außenumfang des Trägerkörpers nicht, wie beim Bekannten, durch ein im wesentlichen um den ganzen Trägerkörper umlaufen­ den Band gehalten ist, sondern daß sich der Umfang aus vielen, jeweils einzeln aufgrund elastischer Eigenschaften nach außen abfedernder Bandenden zusammensetzt. Dies gibt dem gesamten Trägerkörper eine gute radiale Dehnfähigkeit. Wird ein solcher Trägerkörper in eine zylindrische Mantelhülse eingesetzt, so drücken sich auch die freien Bandenden fest an den Innenumfang der Mantelhülse an. Bei dem dann in üblicher Weise durchgeführ­ ten Lötvorgang läßt sich eine innige Verbindung des Trägerkör­ pers mit dem Mantelrohr, das in Fig. 7 nicht gezeigt ist, er­ zielen. Auch bei einer durch unterschiedliche Temperaturen be­ dingten Wärmedehnung während des Betriebes wirkt sich die radi­ ale Elastizität des neuen Trägerkörpers vorteilhaft aus. Es be­ steht keine Gefahr, daß sich der mit dem Innenumfang des Mantels verbundene Trägerkörper im Betrieb vom Mantel löst.

In den Fig. 1 bis 4 ist eine auf diesem an sich bekannten Prin­ zip beruhende Herstellungsmöglichkeit skizziert, bei der zunächst ein Stapel (13) von aufeinanderliegenden Bändern (5, 6) gebildet wird, der in der Mitte, im Bereich (5 d), von der strichpunktiert dargestellten Ausgangsform zu der ausgezogenen Form zusammenge­ drückt wird. Dieser mittlere Bereich (5 d) stellt somit den Be­ festigungsbereich für die Stirnenden (5 a und 5 a′) (s. Fig. 2) von zwei Bändern (5 und 5′) dar, die dann durch eine Verdrehung um den Bereich (5 d), wie dies in der Fig. 3 dargestellt ist, in zu einem mehrlagigen spiralen Trägerkörper gewickelt werden können.

Das Zusammendrücken des Bereiches (5 d) kann dabei vor dem Ein­ spannen des Stapels (13) geschehen, wobei zur Erleichterung des Zusammendrückens und, um beim anschließenden Wickeln eine gute Umlenkung der Bänder im Bereich (5 d) zu erleichtern, seitliche Schlitze zur Bildung der Stirnenden (5 a, 5 a′) der Bänder (5, 5′) vorgesehen sein können. Der Bereich (5 d) kann dann beispielswei­ se in den Spalt (27) zwischen zwei Zinken (28 und 28 a) eines gabelförmigen Teiles (29) axial eingeschoben werden, bis ein Rand des Stapels (13) an dem rückwärtigen Scheibenteil des Tei­ les (29) anliegt. Durch Verdrehung im Sinne des Pfeiles (32) des Teiles (29) um die Wickelachse (9) kann dann der Trägerkör­ per gebildet werden. Bei der Herstellung des Bereiches (5 d) kann durch die Form des Quetschwerkzeuges und durch die Form der Zinken (28 und 28 a) eine Beschädigung der Strömungskanäle zwischen den einzelnen Lagen (5 und 6) weitgehend vermieden werden. Die gabelförmigen Zinken (28 und 28 a) werden nach dem Aufwickeln des Körpers axial aus dem Trägerkörper herausgezo­ gen. Sie können entsprechend klein bemessen werden, um eine an sich unerwünschte Hohlraumbildung im Zentrum des Trägerkörpers zu vermeiden.

Eine andere sehr vorteilhafte Möglichkeit der Herstellung des neuen Trägerkörpers ist in den Fig. 5 und 6 angedeutet. Bei dieser Herstellungsmethode wird zunächst ein Stapel (14) aus mehreren Metallbändern (15, 16, 17 und 18) gebildet, und zwar so, daß die Stirnseiten (15 a, 16 a, 17 a, 18 a, usw.) der auf­ einanderliegenden, einzelnen Lagen der Metallbänder - die na­ türlich auch hier jeweils aus einem Glattband und einem ge­ wellten Band bestehen können - jeweils um etwa den gleichen Betrag zueinander in der Längsrichtung der Bänder versetzt sind, so daß sich insgesamt ein Stapel (14) von Parallelepiped­ form bildet. Dieser Stapel wird dann, wie Fig. 6 zeigt, durch einen Wickelkörper (12) um die Wickelachse (9) so aufgewickelt, daß nur das äußerste Stirnende, beim Ausführungsbeispiel das Stirnende (15 a) des Bandes (15) vom Wickelkörper (12) gefaßt und im Sinne des Pfeiles (32) mitgenommen wird. Die anderen Bänder (16, 17 und 18), deren Stirnseiten beispielsweise an den angrenzenden Bändern angepunktet sind, werden zwangsweise mit aufgerollt, und zwar so, daß am fertigen Körper die nicht gezeigten Enden der einzelnen Bänder in bestimmten Abständen außen am Umfang des fertigen Trägerkörpers liegen. Auch dadurch entsteht daher ein Trägerkörper, wie er im Prinzip in der Stirnansicht in Fig. 2 gezeigt ist. Es wäre auch möglich, alle Stirnenden (15 a, 16 a, 17 a, . . .) fluchtend anzuordnen und zum Wickelvorgang gleichzeitig zu erfassen. Dies könnte unmittelbar nach dem Ablängen der Metallbänder unter gleichzeitigem Zusammenpressen der Stirnenden erfolgen.

Auf diese Weise wird ein zylindrischer Körper gebildet, wie er in Fig. 7 gezeigt ist, der in seinem Zentrum einen, wenn auch kleinen Hohlraum besitzt. Dieser Körper bildet einen mehrgängig gewickelten Trägerkörper, bei dem die Enden (15 b, 16 b) einer Vielzahl von Bändern frei außen liegen, was aus Fig. 7 beson­ ders gut zu erkennen ist.

Claims (7)

1. Verfahren zur Herstellung eines Trägerkörpers für einen katalytischen Reaktor zur Abgasreinigung, insbesondere für Ver­ brennungskraftmaschinen, bei dem mehrere gewellte oder gewellte und glatte Metallbänder, die auf Länge geschnitten sind, mit ihren Stirnseiten jeweils ausgehend von einem gemeinsamen Zen­ trum zu spiralförmig oder evolventenförmig übereinanderliegen­ den Lagen gewickelt und anschließend in der entstandenen Waben­ form in einem hülsenförmigen Mantel befestigt werden, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst jeweils ein Stapel (13, 14) von Me­ tallbändern (15, 16, 17, 18, 5, 6) gebildet wird, und daß der Stapel dann zur Endform gewickelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stapel (13) etwa in seiner Mitte flach gequetscht und an einer Drehachse gehalten wird und dann gewickelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweilige Stapel (14, 13) an einem seiner Stirnenden erfaßt und dann gedreht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Stirnende von dem Stirnende (15 a) des äußersten Metallban­ des (15) oder von den fluchtenden Stirnenden von zwei oder meh­ reren der außen liegenden Metallbänder gebildet wird, und daß an diesem äußeren Metallband alle weiteren Metallbänder (16, 17, 18) mit ihren Stirnenden (16 a, 17 a, 18 a) versetzt zueinander so befestigt werden, daß ein parallelepipedförmiger Stapel (14) entsteht, der so aufgewickelt wird, daß alle Stirnenden (15 a bis 18 a) der Metallbänder (15 bis 18) zur Wickelachse (9) hin gerichtet sind.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stapel im Bereich seiner Mitte mit Einschnitten versehen wird, und daß der zwischen diesen verbleibende Steg (5 d) erfaßt und gedreht wird.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An­ spruch 1 oder einem der übrigen Ansprüche, mit einem drehbaren Wickelkern und mit einer Zuführanordnung für die zu wickelnden Bänder, dadurch gekennzeichnet, daß der Wickelkern durch die voneinander abgewandten Enden eines Klemmspaltes (27) gebildet ist, der quer durch die Wickelachse (9) verläuft und von zwei gegeneinander verstellbaren Klemmteilen (28, 28 a) gebildet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Klemmteile von den aufeinander abgestimmten Zinken (28, 28 a) eines gabelförmig ausgebildeten Wellenteiles (29) gebildet sind.