DE602004005949T2

DE602004005949T2 - Metallträger

Info

Publication number: DE602004005949T2
Application number: DE602004005949T
Authority: DE
Inventors: Tamotsu Sugimoto; Seiji Mashiko; Katsufumi Inoue; Teruhisa Kaneda; Shintaro Tabata
Original assignee: Calsonic Kansei Corp
Current assignee: Marelli Corp
Priority date: 2003-11-28
Filing date: 2004-11-25
Publication date: 2007-08-30
Anticipated expiration: 2024-11-26
Also published as: EP1536112A1; DE602004005949D1; US20050115070A1; EP1710410A3; EP1536112B1; JP2005177736A; EP1710410A2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Metallträger gemäß dem Oberbegriff des selbstständigen Anspruchs 1. Eine solche Art von Metallträger kann dem Dokument EP-A-1 251 250 A1 des bisherigen Stands der Technik entnommen werden. Des Weiteren ist ein solcher Typ von Metallträger auch aus dem Dokument US-A-5 010 790 des bisherigen Stands der Technik bekannt.
Ein Abgassystem für einen Verbrennungsmotor oder dergleichen ist mit einem Abgaskatalysator ausgerüstet, der Abgase reinigt. Diese Art von Abgaskatalysator verwendet im Allgemeinen einen Metallträger, der ein Blech wie beispielsweise eine auf Fe-Cr-Al basierende rostfreie Eisenoxidmetallfolie (ferrite stainless foil) aufweist, als den Katalysator.
Zum Erzeugen eines Metallträgers dieser Art werden gewellte Blechplatten und flache Blechplatten abwechselnd aufeinander gestapelt. Diese gestapelten Blechplatten werden mehrmals aufgewickelt und bilden einen Kern aus, der eine Wabenstruktur aufweist. Die Struktur weist einen kreisförmigen Querschnitt und dergleichen auf. Eine niedriger gewellte Blechplatte mit einer niedrigeren Wellenhöhe als diejenige der gewellten Blechplatte kann als die flache Blechplatte verwendet werden. Dann wird ein Hartlöt-Metallfolienmaterial um einen Außenumfang des Kerns gewickelt, er wird mit Presspassung in einen Metall-Außenzylinder gepasst, und dieser wird in einem Vakuum erhitzt. Bei diesem Erhitzungsvorgang werden Scheitel der gewellten Blechplatte und der flachen Blechplatte unter Verwendung eines Diffusionsverbindungsvorgangs miteinander verbunden, und der Außenzylinder und der Kern werden miteinander verlötet.
Ein Katalysator, wie beispielsweise Platin, wird zu dem Kern zugesetzt, Diffusoren werden an beiden Enden des Außenzylinders angeschweißt, wodurch ein Abgaskatalysator ausgebildet wird. Bei der Katalysator-Zusetzverarbeitung wird eine Washcoat-Lösung, die einen Katalysator enthält, in den Kern gegossen, und auf der Oberfläche des Kerns bildet sich eine dünne Membran aus, die den Katalysator enthält. Siehe offengelegte japanische Patentanmeldungen Nr. 2000-61317 und Nr. 2003-334456.
Der Metallträger weist einen verbundenen Abschnitt zwischen der gewellten Blechplatte und der flachen Blechplatte (oder niedrig gewellten Blechplatte) auf. Der verbundene Abschnitt weist eine Leiste (Katalysator-Rückstand) auf, die von der Washcoat-Lösung unter Oberflächenspannung erzeugt wurde. Diese Leiste wird durch das Blechplattenmaterial, Luft (Atmosphäre), die Oberflächenspannung der Lösung und dergleichen bestimmt. Die Leiste ist so ausgebildet, dass sie einen Bogen beschreibt, und weist eine große Dicke auf. Dies hindert den in der Leiste enthaltenen Katalysator daran, die ursprüngliche Leistung zu bieten, und der Katalysator ist ungenutzt.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Metallträger wie oben angegeben bereitzustellen, der eine hohe Reinigungsleistung bereitstellt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch einen Metallträger gelöst, der die Merkmale des selbstständigen Anspruchs 1 aufweist.
Eine bevorzugte Ausführungsform ist in dem unabhängigen Anspruch dargelegt.
Hierin wird im Folgenden die vorliegende Erfindung mit Hilfe mehrerer Ausführungsformen in Verbindung mit den folgenden begleitenden Zeichnungen dargestellt und erläutert:
1 ist eine veranschaulichende Ansicht eines Verfahrens zum Erzeugen eines Metallträgers gemäß einer Vergleichs-Ausführungsform;
2 ist eine Perspektivansicht des Metallträgers der Vergleichs-Ausführungsform;
3 ist eine Draufsicht, die den Vorteil der Vergleichs-Ausführungsform veranschaulicht;
4 ist eine Teilschnittansicht eines Metallträgers eines weiteren Vergleichsbeispiels;
5 ist eine Teilschnittansicht eines Metallträgers gemäß einer Ausführungsform, welche die Kombination der Merkmale des selbstständigen Anspruchs 1 veranschaulicht;
6A und 6B sind veranschaulichende Ansichten eines konkreten Auslegungsbeispiels gemäß der Ausführungsform, welche die Kombination der Merkmale des selbstständigen Anspruchs 1 veranschaulicht;
7A und 7B sind veranschaulichende Ansichten der Katalysatorreduktions-Wirkungen, die mit einer im Wesentlichen senkrechten gewellten vertikalen Metallfolienwand erhalten werden.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Zum Erörtern mehrerer Merkmale und Vorteile gemäß der vorliegenden Lehre werden Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
Unter Bezugnahme auf 1 umfasst ein Metallträger 10A eine gewellte Blechplatte 1A als ein erstes Blech und eine flache Blechplatte 2 als ein zweites Blech aus einer verdünnten Metallplatte in einer Bandform. Die gewellte Blechplatte 1A und die flache Blechplatte 2 setzen sich aus ungefähr 5% Al, ungefähr 20% Cu, zusätzlich einer winzigen Metallmenge Mn, Mo und dergleichen und für den Rest aus Fe zusammen. Die Dicke der Blechplatte 1A oder 2 beträgt 30 bis 50 μm. Die gewellte Blechplatte 1A und die flache Blechplatte 2 sind abwechselnd aufeinander gestapelt und bilden ein geschichtetes Produkt aus. Das geschichtete Produkt wird mehrmals aufgewickelt und bildet einen Kern 3 mit einer Wabenstruktur aus. Die Wabenstruktur weist zum Beispiel einen kreisförmigen Querschnitt auf. Ein Hartlöt-Metallfolienmaterial wird um den Außenumfang des Kerns 3 gewickelt. Dieser wird mit Presspassung in einen Metall-Außenzylinder 4 gepasst, wie in 2 gezeigt, und in einem Vakuum erhitzt. Bei diesem Erhitzungsvorgang werden die gewellte Blechplatte 1A und die flache Blechplatte 2 unter Verwendung eines Diffusionsverbindungsvorgangs miteinander verbunden, und der Außenzylinder 4 und der Kern 3 werden zur Verbindung miteinander verlötet.
Eine Washcoat-Lösung, die einen Katalysator wie beispielsweise Platin enthält, wird in den Kern 3 gegossen und bildet auf der Oberfläche des Kerns 3 eine dünne Membran aus, die den Katalysator enthält. Der Katalysator enthält eine Hauptkomponente von Aluminiumoxid (Al₂O₃) mit einer weiteren winzigen Menge von Ceroxid (CeO₂) oder Bariumoxid oder dergleichen, die Pt, Pd oder Rh enthält. (Nicht gezeigte) Diffusoren sind an beiden Enden des Außenzylinders 4 angeschweißt, wodurch ein Abgaskatalysator ausgebildet wird.
Unter Bezugnahme auf 3 weist die gewellte Blechplatte 1A eine Dicke von 30 μm, eine Wellenhöhe H1 von 2,0 mm und einen Wellenabstand P1 von 1,6 mm auf. Die Wellenhöhe ist ein Abstand zwischen dem Tal und dem Scheitel einer Welle. Der Wellenabstand ist ein Abstand zwischen benachbarten Scheiteln oder zwischen benachbarten Tälern einer Welle. Die gewellte Blechplatte 1A weist Scheitel 1a, 1b und 1c auf, deren Radien R1, R2 und R3 jeweils 0,2 mm, 0,3 mm und 0,4 mm betragen. Die Querschnittsbereiche von Leisten 5a, 5b und 5c sind jeweils 55, 65 und 90. Die numerischen Werte sind Vergleichswerte, wenn ein Querschnittsbereich einer Leiste 103 eines in 4 gezeigten Vergleichsbeispiels auf 100 eingestellt wird. Die gewellte Blechplatte 101 wird zwischen zwei flachen Blechplatten 102 angeordnet. Die gewellte Blechplatte 101 weist eine Wellenhöhe H2 von 1,2 mm, einen Abstand P2 von 2,56 mm und einen Scheitelradius R4 von 0,55 mm auf.
Jede der Leisten 5a, 5b und 5c weist einen Radius r1 von 0,25 mm auf. Ein Scheitel 1a mit einem Radius R1 von 0,2 mm erzeugt einen Katalysatorrückstand in dem Scheitel 1a.
Der Scheitel 1c mit dem Radius R4 von 0,5 mm erzeugt keinen Katalysatorrückstand in dem Scheitel 1a. Die Leiste 5c weist eine größere Fläche auf als die Leiste 5a mit dem Radius R1 von 0,2 mm.
Der Scheitel 1b mit dem Radius R2 von 0,3 mm erzeugt wenig Katalysatorrückstand in dem Scheitel 1b. Die Leiste 5b weist eine kleinere Fläche aus die Leiste 5c in Entsprechung zum Radius R3 und eine größere Fläche als die Leiste 5a auf. Der Scheitel 1b reduziert eine Gesamtmenge von ungenutztem Katalysator im Vergleich mit den Scheiteln 5a und 5c mit Radius R1 und R3.
Die Radien R1, R2 und R3 sind jeweils Außenradien der Scheitel 1a, 1b und 1c. Die Innenradien der Scheitel 1a, 1b und 1c sind kleiner als die Radien R1, R2 und R3. Der Innenradius des Scheitels 1a mit dem Radius R2 beträgt 0,27 mm (= 0,3 mm – 0,03 mm), was im Wesentlichen gleich dem Radius 1 des Bogens bzw. der gebogenen Oberfläche der Leiste 5b ist.
Auf diese Weise eliminiert die Bestimmung des Innenradius des Scheitels 1a als ein Referenzwert den Einfluss auf Grund der Dicke der gewellten Blechplatte 1, wodurch die Menge des Katalysatorrückstands mit höherer Genauigkeit reduziert wird.
Der Innenradius des Scheitels 1a kann mit dem Radius r1 nicht vollständig gleich sein. Der Innenradius beträgt das 0,8- bis 1,2-fache des Radius r1. Der Innenradius kann das 1,0- bis 1,2-fache des Radius r1 sein.
In der oben genannten Ausführungsform sind die gestapelten gewellten Blechplatten, flachen Blechplatten und der Metallträger 10A beschrieben. Die flache Blechplatte 2 kann durch eine niedriger gewellte Blechplatte mit einer niedrigeren Wellenhöhe ersetzt werden. Die niedriger gewellte Blechplatte und die gewellte Blechplatte 1 können aufeinander gestapelt werden, um den Kern auszubilden, was den identischen Nutzen erzielt.
Ausführungsform, welche die Kombination der Merkmale des selbstständigen Anspruchs 1 veranschaulicht
Unter Bezugnahme auf 5 wird ein Metallträger 10B der Ausführungsform beschrieben. Die grundlegende Struktur des Metallträgers 10B ist mit derjenigen des Metallträgers 10a in der ersten Vergleichs-Ausführungsform identisch. Die gewellte Blechplatte 1B und die flache Blechplatte 2 aus bandförmigen verdünnten Blechen sind abwechselnd aufeinander gestapelt und bilden ein geschichtetes Produkt aus. Das geschichtete Produkt wird mehrmals aufgewickelt und bildet einen Kern 3 mit einer Wabenstruktur aus. Die Wabenstruktur weist einen rechteckigen Querschnitt auf. Ein Hartlöt-Metallfolienmaterial wird um den Außenumfang des Kerns 3 gewickelt (siehe 1). Dieser wird mit Presspassung in einen Metall-Außenzylinder 4 gepasst und in einem Vakuum erhitzt. Bei diesem Erhitzungsvorgang werden die gewellte Blechplatte 1B und die flache Blechplatte 2 unter Verwendung eines Diffusionsverbindungsvorgangs miteinander verbunden, und der Außenzylinder 4 und der Kern 3 werden zur Verbindung miteinander verlötet (siehe 2).
Eine Washcoat-Lösung, die einen Katalysator wie beispielsweise Platin enthält, wird in den Kern 3 gegossen. Dies bildet auf der Oberfläche des Kerns 3 eine dünne Membran aus, die den Katalysator enthält. (Nicht gezeigte) Diffusoren sind an beiden Enden des Außenzylinders 4 angeschweißt, wodurch ein Abgaskatalysator ausgebildet wird.
Unter Bezugnahme auf 5 weist die gewellte Blechplatte 1B Scheitel 1d auf, von denen jeder den Radius R5 hat. Jeder der Scheitel 1d weist eine Leiste 5d auf. Der Radius R5 des Bogens des Scheitels 1d wird gleich dem oder größer als der Durchschnittsradius r2 + σ (σ: Standardabweichung) eingestellt.
Die gewellte Blechplatte 1B weist eine gewellte vertikale Metallfolienwand 1e auf. Die vertikale Wand 1e ist so eingestellt, dass sie im Wesentlichen senkrecht, (zum Beispiel 88°, vorzugsweise 90°), in Bezug auf die flache Blechplatte 2 ist.
In 6A und 6B wird ein konkretes Auslegungsbeispiel der Ausführungsform beschrieben, welche die Kombination der Merkmale des selbstständigen Anspruchs 1 unter Verwendung der Washcoat-Lösung veranschaulicht. Die Leiste 5d weist den Bogen mit einem Durchschnittswert von 0,264 mm und einem Radius r2 mit einer Standardabweichung von 0,024 auf. Um hier die Erzeugungswahrscheinlichkeit einer Füllung eines Katalysators in den Scheiteln 1d zu reduzieren, wird der Radius R5 des Scheitels 1d auf den Durchschnittswert +2,33σ des Radius r2 des Bogens der Leiste 5d gesetzt, zum Beispiel auf 0,32 mm. In dem in 6A gezeigten Auslegungsbeispiel beträgt die Dichte einer gewellten Blechplatte 1 600 Zellen, und ihre Wellenhöhe H3 beträgt 1,91 mm. Der Wellenabstand P3 beträgt 1,28 mm, was das Doppelte des Radius R5 ist. Damit ist die Höhe H3 der gewellten Blechplatte größer als ihr Wellenabstand P3. In 6B beträgt der Wellenabstand P4 1,28 mm. Die Wellenhöhe H4 beträgt 1,35 mm. Der Wellenabstand P4 und die Wellenhöhe H4 sind einander im Wesentlichen gleich.
Wie in der ersten Vergleichs-Ausführungsform erzeugt die gewellte Blechplatte 1B wenig Katalysatorrückstand in dem Scheitel 1d. Zum Beispiel, wie in 6A und 6B gezeigt, erzeugt der Radius R5 von 0,32 mm mit einer Wahrscheinlichkeit von 99% keinen Katalysatorrückstand. Die Leiste 5d weist eine kleinere Fläche als die Leiste 5c, (siehe 3), mit dem Radius R3 von 0,4 mm auf, wodurch die Gesamtmenge von ungenutztem Katalysator reduziert wird.
Die gewellte vertikale Wand 1e der gewellten Blechplatte 1B ist im Wesentlichen senkrecht zu der flachen Blechplatte 2. Unter Bezugnahme auf 7A und 7B wird im Folgenden eine Katalysatorreduktions-Wirkung beschrieben, die durch die im Wesentlichen senkrechte gewellte vertikale Wand 1e erzielt wird. 7A zeigt eine gewellte Blechplatte 101 eines Vergleichsbeispiels in Bezug auf 4, und ein Radius r eines Bogens einer Leiste 103 befindet sich mit einer geraden Linie der gewellten Blechplatte in Kontakt. Die Leiste 103 wird in einem Bereich ausgebildet, der von Kontaktpunkten Rfa, Rfb und R1a umgeben ist. In 7B gestattet die im Wesentlichen senkrechte gewellte vertikale Wand 1b, dass ein Bogen einer Leiste 5 mit dem Radius r2 und der Kreis des Scheitels 1a der gewellten Blechplatte 1B mit dem Radius R5 sich miteinander in Kontakt befinden. Geometrisch ist die Fläche der Leiste 5d kleiner als diejenige der Leiste 5, die in 7A gezeigt ist.
Wie oben beschrieben, ist der Radius R5 des Scheitels 1d der gewellten Blechplatte 1B geringfügig größer als der Radius r2 des Bogens der Leiste 5. Die gewellte Blechplatte 1B weist eine Wellenform mit einer im Wesentlichen senkrechten gewellten vertikalen Wand 1d auf. Diese Auslegung minimiert den ungenutzten Katalysator, wodurch die Produktionskosten reduziert werden.
Während der Radius R5 auf den Durchschnittswert des Radius r2 + 2,33σ eingestellt wird, um den Nutzen dieser Ausführungsform zu erzielen, sollte der Radius R5 wenigstens auf den Durchschnittswert des Radius r2 + 1σ eingestellt werden.
Wie insbesondere in 6A gezeigt, beträgt das Verhältnis zwischen der Wellenhöhe H3 und dem Wellenabstand P3 H3/P3 = 1,5. Dieses Verhältnis reduziert die repräsentative Länge (entsprechender Durchmesser), welche den Koeffizienten der Wärmeübertragung durch die derzeitige gewellte Blechplatte steuert. Die Reduzierung fördert die Erwärmung des Trägers, wodurch sich die Zeitdauer vom Starten eines Motors bis zur Aktivierung des Katalysators verkürzt. Dieses Verhältnis erhöht die Reinigungsleistung in einer kalten Region. Dieser Effekt erhöht die Reinigungsleistung auch in der Wellenform der ersten Ausführungsform, indem der Wert von H1/P1 vergrößert wird. Die Ausführungsform mit der im Wesentlichen senkrechten gewellten vertikalen Wand 1e weist den maximalen H3/P3-Wert auf. Diese Wellenform erzielt die beste Reinigungsleistung.
Wie in 6B gezeigt, wird in dem Verhältnis von Wellenhöhe H4 > Wellenabstand P4 H4:P4 auf ungefähr 1:1 eingestellt. Dieses Verhältnis reduziert die Reinigungsleistung geringfügig in einer kalten Region, wogegen die Zellendichte erhöht wird. Dies steigert die Reinigungsleistung insgesamt. Wo ein Träger mit einer Wellenhöhe H3 von 1,91 mm 600 Zellen in 6A aufweist, weist ein Träger mit einer Wellenhöhe H4 von 1,35 mm 900 Zellen in 6B auf.
Wie oben beschrieben, stellt diese Ausführungsform insgesamt Produkte mit einer hohen Reinigungsleistung und reduzierten Kosten bereit.
In dieser Ausführungsform sind die gewellte Blechplatte und die flache Blechplatte aufeinander gestapelt. Die flache Blechplatte kann durch eine niedriger gewellte Blechplatte ersetzt werden, deren Wellenhöhe niedriger als bei der gewellten Blechplatte ist. Die niedriger gewellte Blechplatte wird auf die gewellte Blechplatte gestapelt, wodurch der Kern ausgebildet wird, was den identischen Nutzen bereitstellt.

Claims

Metallträger, der umfasst: einen Kern (3) mit einem verdünnten Film, der einen Metall-Katalysator enthält, wobei der Kern (3) umfasst: ein erstes Blech (1B), das gewellt ist und eine Vielzahl von Scheiteln (1d) aufweist, die jeweils einen ersten Radius (R5) haben; und ein zweites Blech (2), das abgeflacht oder gewellt ist und eine geringere Wellenhöhe hat als das erste Blech (1B), wobei das erste und das zweite Blech (1B, 2) aufeinander geschichtet und aufgewickelt sind, wobei die Vielzahl der Scheitel (1d) und das zweite Blech (2) miteinander verbunden sind und Verbindungen dazwischen aufweisen, wobei Leisten (5d) des Katalysators zwischen den Verbindungen ausgebildet sind und das erste Blech (1B) sowie das zweite Blech (2) eine gebogene Fläche eines zweiten Radius (r2) haben, die sich zwischen dem ersten und dem zweiten Blech (1B, 2) erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Radius (R5) auf einen Durchschnittswert des zweiten Radius (r2) der Leisten (5d) plus 1 bis 2,33 σ eingestellt ist, wobei σ die Standardabweichung der Radien der Leisten (5d) ist und das erste Blech (1B) eine vertikale Wand (1e) hat, die so eingestellt ist, dass sie im Wesentlichen senkrecht zu dem zweiten Blech (2) ist.
Metallträger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Blech (1B) eine Wellenhöhe (H3) zwischen einem Scheitel (1d) und einem Tal derselben sowie einen Wellenabstand (P3) zwischen benachbarten Scheiteln hat, wobei die Wellenhöhe (H3) größer ist als der Wellenabstand (P4).