DE4223134A1 - Metallischer Wabenkörper aus verschlungenen Blechlagen und Verfahren zur seiner Herstellung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wabenkörper; insbesondere einen Katalysator-Trägerkörper; welcher aus zumindest teilweise struktu­ rierten Blechen aufgebaut ist und viele für ein Fluid durchlässige Kanäle aufweist.

Aus der EP-A-0 245 736 ist ein Wabenkörper bekannt, bei welchem die einzelnen Blechlagen im Außenbereich evolventenförmig verlaufen, was zu einem sehr gleichmäßigen Aufbau und einer großen Haltbarkeit bei thermischen Belastungen führt. Aus der WO 90/03220, von der die vorliegende Erfindung ausgeht, ist weiter ein besonders günstiges Ver­ fahren zur Herstellung solcher Wabenkörper bekannt, bei welchem drei oder mehr Stapel von zumindest teilweise strukturierten Blechen mitein­ ander verschlungen werden.

Die Bauformen haben viele Vorteile, insbesondere weil bei thermischen Wechselbelastungen die Kräfte gleichmäßig im Wabenkörper verteilt auftreten, jedoch ist als Nachteil zu nennen, daß eine Vielzahl von Blechen auf eine geeignete Länge geschnitten und zu Stapeln geschichtet werden muß. Auch sind die einzelnen Blechlagen nicht so lang, daß sich elektrische Leiter von genügender Länge zum Beheizen des Waben­ körpers oder zum repräsentativen Messen über den gesamten Querschnitt in einem einzigen solchen Blech integrieren ließen.

Aus der WO 91/14855 ist zwar ferner ein Wabenkörper mit mindestens einem integrierten elektrischen Leiter bekannt, jedoch kann dieser bei einfachem Verlauf nur eine begrenzte Länge bieten.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Wabenkör­ pers, welcher aus nur einer geringen Anzahl von Blechen besteht, gleich­ mäßig aufgebaut ist und dessen Aufbau sich auch dazu eignet, zumindest einen langen elektrischen Leiter in zumindest eine der Blechlagen zu integrieren oder eine der Blechlagen selbst als langen isolierten elek­ trischen Leiter auszubilden.

Zur Lösung dieser Aufgabe dient ein metallischer Wabenkörper mit umeinandergeschlungenen, zumindest teilweise strukturierten Blechlagen, die gekrümmt, insbesondere etwa evolventenförmig, verlaufen, wobei der Körper in zumindest einem äußeren Ringbereich und in zumindest einem inneren Ringbereich je mindestens drei Umkehrlinien aufweist, um welche die Blechlagen mit sich von außen nach innen jeweils ändernder Krümmungsrichtung verschlungen sind. Wie anhand der Zeichnung noch näher erläutert wird, läßt sich ein solcher Wabenkörper aus einem Hohlwickel durch sternförmiges Falten und anschließendes Umeinander­ schlingen der "Sternzacken" leicht herstellen. Der Hohlwickel besteht aus spiralig umeinandergewickelten strukturierten Blechen, welche einen Hohlzylinder bilden, dessen Außenradius R und dessen Innenradius r ist. Die Querschnittsfläche des Hohlzylinders ist nämlich π (R²-r²), ent­ spricht in etwa der Querschnittsfläche des aus dem Hohlwickel später herzustellenden Wabenkörpers. Im einfachsten Falle besteht der Hohl­ wickel aus einer eingängigen Spirale aus einem glatten und einem ge­ wellten Blech, jedoch besteht auch die Möglichkeit, eine mehrgängige Spirale z. B. aus abwechselnden glatten und gewellten Blechen herzustel­ len. Auch abwechselnde Lagen aus unterschiedlich strukturierten Ble­ chen, z. B. in einem Winkel schräg gewellten Blechen, wie aus dem Stand der Technik in vielen Ausführungsformen bekannt, sind möglich. Der Hohlwickel läßt sich beispielsweise durch Aufwickeln der Blechlagen auf einen zylindrischen Kern leicht herstellen.

Der Hohlwickel wird anschließend jedoch nicht, wie aus dem Stand der Technik bekannt, z. B. EP 332 891 B1, flachgedrückt und dann ver­ schlungen, sondern an mindestens drei Stellen von außen nach innen eingedrückt, so daß sich eine Sternform bildet. Die "Zacken" des Stern können gleichsinnig um das Zentrum des Sterns geschlungen werden, so daß sich ein dicht mit strukturiertem Blechlagen gefüllter gewünschter Querschnitt bildet. Dabei verlaufen die einzelnen Blechlagen etwa evol­ ventenförmig, nur sind die Blechlagen, anders als beim Stand der Tech­ nik, in sich geschlossen, so daß außen keine freien Enden auftreten, sondern nur gebogene Blechrücken außen liegen.

Die Zahl der Umkehrlinien, die für beide Krümmungsrichtungen jeweils gleich ist, soll bevorzugt innen und außen je mindestens vier betragen. Bei bestimmten Anwendungen, insbesondere wenn ein Wabenkörper hergestellt werden soll, der einen hohlen inneren Ringbereich aufweist, ist sogar eine noch größere Zahl wünschenswert. Die Differenz von äußerem und innerem Radius (R-r) des Hohlwickels und die Zahl der Umkehrlinien, sowie deren anfängliche Verteilung über den Umfang des Hohlwickels, bestimmen die spätere Form des Querschnittes bzw. die Größe eines hohlen inneren Ringbereiches.

Grundsätzlich kann der Hohlwickel auf vielfältige Weise aufgebaut wer­ den, wobei bevorzugt ein bis fünf Blechstreifen verwendet werden, die zumindest teilweise eine wellenartige Struktur aufweisen. Teilweise bedeutet, daß entweder ein Blechstreifen in Teilbereichen diese Struktur aufweist, oder aber ein Teil der Blechstreifen diese Struktur aufweist. Es ist beispielsweise möglich, einen Hohlwickel aus einem einzigen Blechstreifen herzustellen, welcher z. B. auf seiner halben Länge glatt und auf der anderen Hälfte gewellt und dann zusammengefaltet ist. Auch der Aufbau aus einem glatten und einem gewellten Blechstreifen oder aber aus mehreren solchen Blechstreifen ist möglich, wobei alle aus dem Stand der Technik bekannten Strukturen und Substrukturen der Bleche Anwendung finden können. Insgesamt hat der Hohlwickel bevor­ zugt drei bis sieben Lagen, die durch Aufwickeln der ein bis fünf Blech­ streifen entstehen.

Ganz besonders eignet sich die vorliegende Erfindung für Wabenkörper; in denen mindestens ein elektrisch von dem Wabenkörper isolierter elektrischer Leiter integriert sein soll, der als Heizleiter und/oder als Meßfühler ausgebildet ist. Zur Herstellung eines repräsentativ über den Querschnitt des Wabenkörpers messenden Temperaturfühlers ist es wichtig, einen relativ langen Leiter unterbringen zu können. Das gleiche gilt auch für einen Heizdraht bei elektrisch beheizbaren Wabenkörpern. Hier bietet die vorliegende Erfindung gegenüber Wabenkörpern, die aus einer Vielzahl einzelner Bleche bestehen, den Vorteil, daß problemlos ein langer Leiter; z. B. ein Draht, in eine der Blechlagen integriert wer­ den kann, vorzugsweise in eine gewellte Blechlage. Wie bekannt ist, kann so ein elektrischer Leiter beispielsweise in einem Mantelleiter angeordnet und z. B. zwischen zwei Blechlagen eingewalzt werden. Jede andere Art der Integration eines elektrischen Leiters in eine Blechlage ist ebenfalls möglich, so z. B. das Einlegen in eine geschlitzte gewellte Blechlage. Die Durchführung des elektrischen Leiters durch ein Fenster in einen evtl. den Wabenkörper umgebenden Mantelrohr kann entspre­ chend der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung P 41 29 893.4 vom 9. September 1991, auf die hier vollinhaltlich Bezug genom­ men wird, gelöst werden. Im allgemeinen ist ein erfindungsgemäßer Wabenkörper von einem Mantelrohr umgeben, wobei die äußerste Blech­ lage dieses Mantelrohr entlang von Berührungslinien in der Nähe der äußeren Umkehrlinien berührt. Zur Befestigung des Wabenkörpers im Mantelrohr kann die äußerste Blechlage zumindest in Teilbereichen ihrer Berührungslinien mit dem Mantel durch Hartlöten mit diesem verbunden werden.

Auch untereinander werden die Blechlagen bevorzugt, zumindest in Teilbereichen durch Hartlöten verbunden, vorzugsweise im Bereich einer oder beider Stirnseiten.

Die Erfindung lehrt auch ein Verfahren zur Herstellung eines metalli­ schen Wabenkörpers aus zumindest teilweise strukturierten Blechlagen mit folgenden Schritten:

• a) aus ein bis zehn, vorzugsweise drei bis fünf, Blechstreifen, die zu­ mindest teilweise eine Struktur aufweisen, wird ein Hohlwickel aus einer Mehrzahl, vorzugsweise drei bis zehn, Lagen hergestellt;
• b) der Hohlwickel wird an mindestens drei Linien von innen gestützt und an mindestens drei Linien von außen nach innen verformt, so daß sich entsprechend viele Umkehrlinien sowohl in einem äußeren Ringbereich wie auch in einem inneren Ringbereich bilden;
• c) die entstehende sternähnliche Struktur wird durch gleichsinniges Drehen des Verschlingen der äußeren Umkehrlinien gegenüber den inneren Umkehrlinien kompaktiert.

Wie anhand der Zeichnung näher erläutert wird, handelt es sich um ein sehr schnelles und einfaches Herstellungsverfahren, welches nur wenige Einzelschritte aufweist. Trotzdem können durch geeignete Wahl der Di­ mensionen des Hohlwickels und der Zahl der Umkehrlinien, welche außerdem nicht gleichmäßig über den Umfang des Hohlwickels verteilt sein müssen, sehr vielfältige Formen hergestellt werden, analog zu dem im Stand der Technik bereits bekannten Formenschatz. Dabei können die Umkehrlinien, wie in der Zeichnung erläutert wird, auch auf mehre­ ren konzentrischen Kreisen oder unregelmäßig verteilt im fertigen Waben­ körper liegen, um Sonderformen zu erzielen.

So kann der Hohlwickel beispielsweise an mindestens vier Linien von außen nach innen verformt werden, wobei zur Bildung nicht kreisrunder Querschnitte die Umkehrlinien in Umfangsrichtung unterschiedliche Abstände voneinander haben.

Völlig problemlos läßt sich in diesen Herstellungsprozeß mindestens ein Blechstreifen integrieren, der aus zwei eng aneinanderliegenden Blechla­ gen gebildet ist, zwischen deren mindestens ein elektrischer Leiter elek­ trisch isoliert integriert ist. Ohne daß sich das Herstellungsverfahren überhaupt ändert, läßt sich auf diese Weise ein sehr langer elektrischer Leiter gleichmäßig verteilt über den Querschnitt des Wabenkörpers anordnen, der als Meßfühler oder auch als Heizleiter dienen kann.

Wie auch schon in dem Stand der Technik, von dem die Erfindung ausgeht, ist einer der wesentlichen Vorteile der vorliegenden Erfindung, daß auf einfache Weise ein Wabenkörper mit einem hohlen inneren Zentralbereich gebildet werden kann, der sogar hier nicht unbedingt durch ein Zentralrohr gestützt sein muß.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung, auf die diese jedoch nicht beschränkt ist, sind beispielhaft in der Zeichnung dargestellt und zwar zeigen:

Fig. 1 den Aufbau eines erfindungsgemäßen Wabenkörpers im Quer­ schnitt,

Fig. 2 einen Hohlwickel in schematischer Darstellung im Querschnitt, wie er als Ausgangsform zur Bildung eines erfindungsgemäßen Wabenkörpers dient,

Fig. 3 einen Ausschnitt aus einem Querschnitt eines bereits teilweise sternförmig verformten Hohlwickels gemäß Fig. 2,

Fig. 4 die Anordnung von Umkehrlinien bei der Bildung eines Waben­ körpers mit ovalem Querschnitt aus einem Hohlwickel,

Fig. 5 schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel mit auf mehrere konzentrische Kreise verteilten Umkehrlinien,

Fig. 6 eine unregelmäßige Verteilung der Umkehrlinien,

Fig. 7 einen Wabenkörper mit hohlem innerem Zentralbereich,

Fig. 8 einen Wabenkörper mit unregelmäßiger Querschnittsform, und

Fig. 9 eine gewellte Blechlage mit einem integrierten elektrischen Leiter; wie er beim Aufbau eines erfindungsgemaßen Wabenkör­ pers Anwendung finden kann.

Fig. 1 zeigt schematisch im Querschnitt den Aufbau eines erfindungs­ gemäßen Wabenkörpers anhand eines runden Querschnittes. Der Waben­ körper besteht aus in einem Mantelrohr 1 angeordneten abwechselnden glatten 3 und gewellten 4 Blechlagen. In einem inneren Ringbereich 5 liegen drei oder mehr innere Umkehrlinien 2a, 2b, 2c, . . . und in einem äußeren Ringbereich 6 liegen ebensoviele äußere Umkehrlinien 7a, 7b, 7c . . . Die Blechlagen 3, 4 winden sich mit jeweils abwechselnder Krümmungsrichtung um diese Umkehrlinien und verlaufen zwischen je zwei Umkehrlinien gebogen, vorzugsweise etwa evolventenförmig. Die Berührungslinien der äußersten Blechlage mit dem Mantelrohr 1 können dabei, zumindest in Teilbereichen, mit diesem durch Hartlöten verbunden sein. Zur Vermeidung von aneinanderliegenden Blechlagen gleicher Struktur können zusätzliche Zwischenlagen 10 vorgesehen werden, die in einem Zwischenschritt beim Verformen eingelegt werden.

Fig. 2 zeigt einen schematischen Querschnitt eines Hohlwickels, aus welchem ein erfindungsgemäßer Wabenkörper hergestellt werden kann. Der Hohlwickel besteht bei diesem Ausführungsbeispiel aus einem glatten Blech 3 und einem gewellten Blech 4, welche abwechselnd spiralförmig zu einem Hohlzylinder aufgewickelt sind. Dieser Hohlzylinder hat einen Außenradius R und einen Innenradius r. Durch Eindrücken des Hohl­ wickels an den Umkehrlinien 2a, 2b, 2c, 2d kann dieser zu einer stern­ förmigen Struktur verformt werden. Unter Umständen muß dabei der Hohlwickel von innen an den Umkehrlinien 7a, 7b, 7c, 7d gestützt werden, um eine gleichmäßig Verformung zu erreichen. Als Ergebnis dieser Verformung liegen die Umkehrlinien 2a, 2b, 2c, 2d in dem inne­ ren Ringbereich 5, während die Umkehrlinien 7a, 7b, 7c, 7d zunächst die "Zacken" eines Sterns bilden. Ein Zwischenzustand auf dem Weg zu dieser Form ist in einem schematischen Ausschnitt in Fig. 3 dargestellt. Die Pfeile 8 deuten die Bewegungsrichtung der Umkehrlinien 2a, 2b, 2c, 2d nach innen an. Werden jetzt, wie mit Pfeilen 9 angedeutet, die "Zacken" des Sterns durch gleichsinniges drehendes Verschlingen der äußeren Umkehrlinien 7a, 7b, 7c, 7d gegenüber den inneren Umkehr­ linien 2a, 2b, 2c, 2d zu einem dichten Körper kompaktiert, so entsteht die gewünschte Form eines Wabenkörpers.

Fig. 4 zeigt die anfängliche Anordnung der Umkehrlinien 7a, 7b, 7c, 7d und 2a, 2b, 2c, 2d zur Bildung eines ovalen Wabenkörpers. Die Um­ kehrpunkte 7a, 7b, 7c, 7d sind nicht gleichmäßig über den Innenumfang des Hohlwickels verteilt, sondern liegen auf den Ecken eines Rechteckes (anstatt eines Quadrates wie in Fig. 2), so daß sich beim sternförmigen Verformen und späteren Verschlingen ein ovaler Querschnitt bildet.

Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel, welches bevorzugt dann angewendet werden kann, wenn im Außenbereich eine größere Zahl von Anbindungs­ punkten an den Mantel 1 und ein steilerer Auftreffwinkel der äußeren Blechlage gewünscht wird. Durch zusätzliche Umkehrpunkte 11a, 11b, 11c und 12a, 12b . . . kann die gewünschte Struktur im Außenbereich ebenfalls aus einem Hohlwickel gebildet werden.

Fig. 6 zeigt schematisch, wie man bei einer größeren Zahl von äußeren Umkehrlinien 13a, 13b, 13c, . . . und inneren Umkehrlinien 14a, 14b, 14c, und 15a, 15b, 15c, . . . einen zu großen inneren Hohlraum vermeiden kann, wenn dieser unerwünscht ist. Hierzu liegt ein Teil der inneren Umkehrlinien 14a, 14b, 14c auf einem Kreis mit kleinerem Radius als die anderen inneren Umkehrlinien 15a, 15b, 15c.

Fig. 7 zeigt im Gegensatz dazu, wie ein hohler innerer Zentralbereich, umgeben von einem Rohr 17 gebildet wird, in dem alle inneren Um­ kehrlinien 16a, 16b, 16c, . . . auf einem konzentrischen Kreis im Inneren des inneren Ringbereiches 5 liegen.

Fig. 8 zeigt schematisch ein Beispiel, wie unregelmäßige Querschnitte erfindungsgemäß ausgefüllt werden können. Hier liegen die inneren Umkehrlinien 18a, 18b, 18c, 18d unregelmäßig im Inneren, wodurch sich beim Verschlingen ein entsprechender unregelmäßiger Querschnitt auf­ füllen läßt.

Fig. 9 schließlich zeigt, wie ein elektrischer Leiter 43, durch eine Isolie­ rung 45 getrennt, innerhalb einer Blechlage angeordnet werden kann, indem die Blechlage aus zwei einzelnen Blechen 41, 42 besteht. Die Bleche 41, 42 weisen auf einer oder beiden Seiten eine Ausbauchung 46 auf, in welche der elektrische Leiter 43 eingelegt ist. Die einzelnen Bleche können an ihren Stirnseiten durch eine Hartlötverbindung 44 verbunden sein.

An dem beschriebenen Herstellungsverfahren für Wabenkörper ändert sich praktisch nichts, wenn statt einer einfachen gewellten Lage eine Doppellage mit integriertem elektrischem Leiter gemäß Fig. 9 verwendet wird.

Die vorliegende Erfindung eignet sich besonders für die Herstellung von metallischen Katalysator-Trägerkörpern für Kraftfahrzeuge in Großserien­ produktion, wobei die so hergestellten Wabenkörper aufgrund ihres symmetrischen Aufbaus und der etwa evolventenförmig verlaufenden Lagen besonders widerstandsfähig gegen thermische Wechselbelastungen und hohe mechanische Beanspruchungen sind.

Claims (16)

1. Metallischer Wabenkörper mit umeinander geschlungenen, zumindest teilweise strukturierten Blechlagen (3, 4; 41, 42), die gekrümmt, insbesondere etwa evolventenförmig, verlaufen, wobei der Körper in mindestens einem äußeren Ringbereich (6) und in mindestens einem inneren Ringbereich (5) je mindestens 3 Umkehrlinien (2a, 2b, 2c, . . . bzw. 7a, 7b, 7c, . . .; 13a, 13b, 13c, . . . bzw. 14a, 14b, 14c, . . ., 15a, 15b, 15c, . . ., 16a, 16b, 16c . . .; 18a, 18b, 18c) aufweist, um welche die Blechlagen (3, 4; 41, 42) mit sich von außen nach innen jeweils ändernder Krümmungsrichtung verschlungen sind.

2. Wabenkörper nach Anspruch 1, wobei die Zahl der Umkehrlinien (2a, 2b, 2c, . . . bzw. 7a, 7b, 7c, . . .) außen und innen je mindestens vier ist.

3. Wabenkörper nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein innerer Zentral­ bereich (17) des Wabenkörpers innerhalb des inneren Ringbereiches (5) hohl ist.

4. Wabenkörper nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei der Wabenkörper aus ein bis fünf Blechstreifen (3, 4; 41, 42) besteht, die zumindest teilweise eine wellenartige Struktur aufweisen.

5. Wabenkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Umkehrlinien (11a, 11b, 11c, . . ., 12a, 12b, 12c, . . .; 13a, 13b, 13c, . . ., 14a, 14b, 14c, . . ., 15a, 15b, 15c, . . ., 16a, 16b, 16c, . . .) auf zwei oder mehreren konzentrischen Kreisen angeordnet sind.

6. Wabenkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Umkehr­ linien (18a, 18b, 18c, . . .) unregelmäßig entsprechend der Querschnittsform des Wabenkörpers angeordnet sind.

7. Wabenkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei einzelne glatte oder gewellte Blechstreifen (10) zwischen benachbarte gewellte bzw. glatte Blechlagen (4, 3) eingefügt sind, um doppelte Lagen zu vermeiden.

8. Wabenkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Wabenkörper mindestens eine Blechlage (41, 42) enthält, in welche mindestens ein elektrisch von der Blechlage (41, 42) isolierter elektrischer Leiter (43) integriert ist, der als Heizleiter und/oder als Meßfühler ausgebildet ist.

9. Wabenkörper nach Anspruch 8, wobei die Blechlage (41, 42) mit dem elektrischen Leiter (43) eine gewellte Blechlage ist aus zwei Blechstreifen (41, 42), zwischen denen der elektrische Leiter (43) angeordnet ist, vorzugsweise eingewalzt.

10. Wabenkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Wabenkörper von einem Mantelrohr (1) umgeben und die äußerste Blechlage zumindest in Teilbereichen ihrer Berührungslinien mit dem Mantelrohr (1) durch Hartlöten verbunden ist.

11. Wabenkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Blechlagen (3, 4; 41, 42) untereinander zumindest in Teilbereichen ihrer Berührungslinien, vorzugsweise im Bereich einer oder beider Stirnseiten, durch Hartlöten verbunden sind.

12. Verfahren zur Herstellung eines metallischen Wabenkörpers aus zumindest teilweise strukturierten Blechlagen mit folgenden Schritten:

• a) aus ein bis zehn, vorzugsweise drei bis fünf, Blechstreifen (4, 5), die zumindest teilweise eine Struktur aufweisen, wird ein Hohlwickel (Fig. 2; Fig. 3) aus einer Mehrzahl, vorzugsweise drei bis zehn, Lagen hergestellt;
• b) der Hohlwickel (Fig. 2; Fig. 3) wird an mindestens drei Linien (7a, 7b, 7c, . . .;) von innen gestützt und an mindestens drei Lnien (2a, 2b, 2c, . . .) von außen nach innen verformt (8), so daß sich entsprechend viele Umkehrlinien sowohl in einem äußeren Ringbereich (6) wie auch in einem inneren Ringbereich (5) bilden;
• c) die entstehende sternähnliche Struktur (Fig. 3) wird durch gleichsinniges drehendes Verschlingen (9) der äußeren Umkehrlinien (7a, 7b, 7c, . . .) gegenüber den inneren Umkehrlinien (2a, 2b, 2c, . . .) kompaktiert.

13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Hohlwickel an mindestens vier Linien (2a, 2b, 2c, 2d, . . .) von außen nach innen verformt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Linien (2a, 2b, 2c, 2d, . . .) in Umfangsrichtung unterschiedliche Abstände voneinander haben.

15. Verfahren nach Anspruch 12, 13 oder 14, wobei die Verformung (8) nach innen nur bis zur Grenze eines hohlen inneren Zentralbereiches (17) erfolgt.

16. Verfahren nach Anspruch 12, 13, 14 oder 15, wobei mindestens einer der Blechstreifen aus zwei eng aneinanderliegenden Blechlagen (41, 42) gebildet ist, zwischen denen mindestens ein elektrischer Leiter (43) elektrisch isoliert (45) integriert ist.