WO2014053511A1

WO2014053511A1 - Elektrisch beheizbarer, aus keramischem material extrudierter wabenkörper

Info

Publication number: WO2014053511A1
Application number: PCT/EP2013/070482
Authority: WO
Inventors: Rolf BRÜCK; Peter Hirth
Original assignee: Emitec Gesellschaft Für Emissionstechnologie Mbh
Priority date: 2012-10-02
Filing date: 2013-10-01
Publication date: 2014-04-10
Also published as: EP2904229A1; DE102012109391A1; JP2015535796A; JP6339577B2; US20150267583A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wabenkörper (1) aus keramischem Material mit durch Wände (10) voneinander getrennten Kanälen (11) und einer vorderen (2) und einer hinteren (3) Stirnseite sowie einer Mantelfläche (4), welcher von einem Fluid in einer Strömungsrichtung (S) von der vorderen (2) zur hinteren (3) Stirnseite durchströmbar ist, wobei der Wabenkörper (1) in mindestens einem ersten Teilbereich (5) elektrisch weniger gut leitfähig ist als in mindestens einem zweiten Teilbereich (6), wobei die Teilbereiche (5, 6) in Strömungsrichtung (S) hintereinander liegen. Zur Herstellung eines solchen Wabenkörpers (4) dient ein Verfahren, bei dem ein Wabenkörper (4) durch Extrudieren von elektrisch schlecht leitendem keramischem Material hergestellt wird, wobei der Wabenkörper (4) nach dem Extrudieren in mindestens einem zweiten Teilbereich (6; 7) so behandelt wird, das die elektrische Leitfähigkeit in diesem zweiten Teilbereich (6; 7) erhöht wird, während sie in mindestens einem ersten Teilbereich (5) unverändert bleibt, wobei die Teilbereiche (5, 6; 7) in Strömungsrichtung (S) hintereinander liegen.

Description

Elektrisch beheizbarer, aus keramischem Material

extrudierter Wabenkörper

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der elektrisch beheizbaren Wabenkörper für die Anwendung bei Gasreinigungsvorrichtungen, insbesondere für Abgasanlagen von Verbrennungsmotoren. Es ist bekannt, Reinigungsanlagen für Gase mit von den Gasen durchströmbaren Wabenkörpern auszustatten, die mit katalytrsch aktivem Material beschichtet und/oder als Filter ausgebildet sind. Dabei ist es auch bekannt, elektrisch beheizbare Wabenkörper einzusetzen, um entweder eine für katalytische Umsetzungsprozesse oder eine Desorption erforderliche Temperatur schneller zu erreichen, oder um angesammelte Rußpartikel zu entzünden und/oder deren Umsetzung zu beschleunigen.

Es gibt zwei grundsätzlich verschiedene Arten von Wabenkörpern, nämlich einerseits extrudierte Wabenkörper und andererseits aus metallischen Blechlagen auf- gebaute Wabenkörper. Während metallische Wabenkörper aufgrund ihrer elektrischen Leitfähigkeit grundsätzlich für eine elektrische Beheizung geeignet sind, ist dies bei extrudierten Wabenkörpern zunächst nicht der Fall, sofern sie aus keramischem Material hergestellt werden, was meist der Fall ist. Es ist allerdings möglich, Wabenkörper auch aus elektrisch leitfähigem Material zu extrudieren, wobei dann elektrisch leitfähige Wabenkörper entstehen, die durch Schlitze so unterteilt werden können, dass ein elektrischer Strompfad mit für eine elektrische Beheizung geeigneten Eigenschaften entsteht. Solche Wabenkörper sind beispielsweise in der EP 0 452 125 A2 oder der EP 0 661 097 AI beschrieben. Eine Weiterbildung solcher Bauformen, bei denen zum Extrudieren zwei unterschiedliche Materialien mit unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit eingesetzt werden, ist außerdem in der EP 0 637 360 Bl offenbart. Der dort beschriebene Wabenkörper weist außen eine andere elektrische Leitfähigkeit als innen auf.

Allen extrudierten elektrisch beheizbaren Wabenkörpern ist gemeinsam, dass im Prinzip nur relativ dünne Scheiben für typische Anwendungen benötigt werden, die wiederum durch Schlitze und die verwendeten Materialien relativ instabil sind, so dass der Einbau in ein Gehäuse und die Kombination mit weiteren Wabenkörpern einen relativ großen Aufwand erfordert und die Haltbarkeit unter thermischen Wechselbelastungen und mechanischen Belastungen begrenzt ist.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise zu lösen. Die Aufgabe liegt insbesondere auch darin einen extrudierten Wabenkörper zu schaffen, der in einem Teilbereich elektrisch beheizbar und leicht herstellbar sowie mechanisch stabil ist.

Zur Lösung dieser Aufgaben dient ein Wabenkörper gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Wabenkörpers gemäß dem Merkmalen des Anspruchs 9. Bevorzugte Ausführungsbeispiele, die einzeln oder in technisch sinnvollen Kombinationen untereinander verwirklicht werden können, sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen angegeben. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren, erläutert die Erfindung und gibt weitere Ausführungsbeispiele an. Der Wabenkörper, extrudiert aus keramischem Material, hat mit durch Wände voneinander getrennten Kanäle, eine vordere Stirnseite, eine hintere Stirnseite, sowie eine Mantelfläche, wobei der Wabenkörper von einem Fluid in einer Strömungsrichtung von der vorderen Stirnseite zur hinteren Stirnseite durchströmbar ist. Der Wabenkörper ist dabei in mindestens einem ersten Teilbereich elektrisch weniger gut leitfähig, als in mindestens einem zweiten Teilbereich, wobei die Teilbereiche in Strömungsrichtung hintereinander liegen. Bezüglich des Materials des Wabenkörpers ist anzumerken, dass dieser nicht zwingend vollständig mit keramischem Material gebildet sein muss, sondern hier ggf. auch (zu einem geringen Anteil) andere Materialien vorliegen können. Diese können beispielsweise Segmente des Wabenkörpers miteinander verbinden, die elektrische Leitfähigkeit realisieren und/oder Leitungen/Sensoren ausbilden. Der Anteil der Nicht-Keramik ist dabei regelmäßig so klein, dass der Wabenkörper (segmentweise) mittels eines Extrusions Verfahrens herstellbar ist.

Üblicherweise verlaufen die Kanäle (wenigstens zum überwiegenden Anteil) geradlinig zwischen der vorderen Stirnseite und der hinteren Stirnseite. Die Kanäle können dabei ggf. auch teilweise und/oder wechselseitig an der Stirnseite mit ei- nem Stopfen verschlossen sein, wenn eine Durchströmung der Wände erzwungen werden soll.

Der Wabenkörper bzw. dessen Material ist insbesondere so ausgeführt, dass das Abgas (Fluid) eines Verbrennungsprozesses dort (dauerhaft) hindurch geführt werden kann.

Bevorzugt schließt sich ein erster Teilbereich des Wabenkörpers unmittelbar an die hintere Stirnseite an. Weiter ist bevorzugt, dass sich der zweite Teilbereich unmittelbar an die vordere Stirnseite anschließt. Es ist vorgesehen, dass der erste Teilbereich und der zweite Teilbereich miteinander verbunden sind, also insbesondere aneinander anliegend ausgestaltet sind. Ganz besonders bevorzugt ist der Wabenkörper (ausgenommen Beschichtung, elektrische Anschlüsse, Sensoren, etc.) einteilig ausgeführt. Diese Anordnung der Teilbereiche mit unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit in Strömungsrichtung hintereinander ermöglicht es insbesondere, einen in Strö- mungsrichtung relativ kurzen zweiten Teilbereich vorzusehen, welcher als einzelne Scheibe mechanisch nicht stabil wäre, jedoch in Verbindung mit dem ersten Teilbereich genauso stabil ist wie ein herkömmlicher (einteiliger) keramischer Wabenkörper. Dabei muss die elektrische Leitfähigkeit im zweiten Teilbereich nicht homogen verteilt sein, sondern kann in diesem Teilbereich beispielsweise auch radial unterschiedlich sein.

Bevorzugt wird in dem zweiten Teilbereich mindestens ein elektrisch leitfähiger Strompfad definiert, der mindestens zwei Kontaktbereiche miteinander verbindet, wobei die Kontaktbereiche an einer Stirnseite und/oder der Mantelfläche des Wabenkörpers angeordnet sind.

Unter einem Strompfad wird insbesondere ein konkreter und/oder gerichteter und/oder begrenzter Verlauf des Stroms durch die Wände des zweiten Teilbe- reichs verstanden. Dabei erstreckt sich der Strompfad ausgehend von einem Anschlusskontakt (z. B. einer Spannungsquelle) zu einem vorgegebenen anderen Anschlusskontakt (z. B. eine elektrische Masse). Der Verlauf ist insbesondere durch mindestens eine Schlaufe, eine Windung, einen Mäander, einer Spirale oder dergleichen im Querschnitt des Wabenkörpers im zweiten Teilbereich gekenn- zeichnet. Der Strompfad kann insbesondere durch elektrisch isolierende Bereiche, die sich in den Querschnitt des Wabenkörpers erstrecken gestaltet sein.

Auf diese Weise lassen sich alle im Stand der Technik bekannten Konfigurationen, wie sie bisher bei (mehreren) scheibenförmigen beheizbaren Wabenkörpern verwendet werden, verwirklichen. Der konstruktive Spielraum für kompliziertere Strompfade oder mehrere parallel geschaltete Strompfade wird jedoch größer, weil praktisch keine Rücksicht mehr auf die mechanische Stabilität des zweiten Teilbereichs genommen werden muss. Dieser zweite Teilbereich hängt quasi monolithisch mit dem ersten Teilbereich zusammen, so dass auch eine größere Zahl von Schlitzen oder sehr schmale Strompfade nicht zu mechanischen Problemen führen. Der erste Teilbereich beeinflusst die Stromverteilung wegen seiner geringeren elektrischen Leitfähigkeit nicht. Im Allgemeinen wird das Material des ersten Teilbereichs im Wesentlichen die Eigenschaften eines elektrischen Isolators ha- ben.

Die mechanische Stabilität des (gesamten) Wabenkörpers ermöglicht es, im zweiten Teilbereich eine Mehrzahl von elektrisch leitfähigen Strompfaden vorzusehen, die vorzugsweise jeweils mit einem gleichen elektrischen Widerstand ausgebildet sind. Auf diese Weise kann eine große Querschnittsfläche sehr gleichmäßig beheizt werden, was bei kompliziert geformten langen Strompfaden, die sich beispielsweise mäanderförmig über eine Querschnittsfläche erstrecken, in bekannten Bauformen nicht mechanisch stabil gewährleistet werden kann. Andererseits ist es auch möglich, Strompfade mit unterschiedlichem elektrischem Widerstand vorzu- sehen, um unterschiedliche Querschnittsbereiche unterschiedlich zu beheizen.

Besonders bevorzugt sind der elektrisch leitfähige Teilbereich und damit alle leitfähigen Strompfade im Bereich von einer der Stirnseiten des Wabenkörpers angeordnet, insbesondere im Bereich der vorderen Stirnseite. Das bedeutet insbesonde- re auch, dass der zweite Teilbereich an der (vorderen) Stirnseite angrenzt bzw. diese mit umfasst. Mit anderen Worten kann das auch bedeuten, dass nur in diesem (zweiten) Teilbereich und nicht in dem anderen (ersten) Teilbereich Strompfade vorgesehen sind. Bei typischen Anordnungen zur Reinigung von Abgasen von Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere bei Kraftfahrzeugen, ist dies die am häufigsten verwendete Bauform, weil durch eine beheizbare vordere Stirnseite die in Strömungsrichtung weiter hinten liegenden Bereiche des Wabenkörpers am einfachsten aufgeheizt werden können.

Bevorzugt weist der zweite Teilbereich eine radial und/oder axial inhomogene elektrische Leitfähigkeit auf. Eine „radiale" Inhomogenität liegt insbesondere dann vor, wenn der zweite Teilbereich betrachtet ausgehend von einem axialen Zentrum hin zur Mantelfläche keine konstante elektrische Leitfähigkeit hat und/oder mehrere gerade Verbindungslinien vom Zentrum hin zur Mantelfläche eine konstante, zueinander aber verschiedene elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Eine„axiale" Inhomogenität liegt insbesondere dann vor, wenn der zweite Teilbe- reich betrachtet ausgehend einer Stirnseite hin zu einer parallelen Begrenzungsfläche (in Richtung der Achse betrachtet) keine konstante elektrische Leitfähigkeit hat und/oder mehrere gerade Verbindungslinien von der Stirnseite hin zur Begrenzung sfläche eine konstante, zueinander aber verschiedene elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Die Inhomogenität zeichnet sich insbesondere durch eine signi- fikante Abweichung aus, wie beispielsweise mindestens 20%, 40% oder sogar 70%.

Ein erfindungsgemäßer Wabenkörper ist bevorzugt zunächst überall aus einem elektrisch wenig leitfähigen keramischen Material hergestellt, wobei der elektrisch besser leitfähige Teilbereich dann durch Hinzufügen von elektrisch leitfähigem Material in seinen elektrischen Eigenschaften verändert ist. Dabei gibt es verschiedene Möglichkeiten, in einem Teilbereich die elektrische Leitfähigkeit zu erhöhen. Da keramisches Material, insbesondere extrudiertes keramisches Material, für Wabenkörper relativ porös ist, kann metallisches Material beispielsweise durch Tauchen in eine Schmelze oder Lösung mit gelösten Metallen eingetaucht werden, wodurch sich metallisches Material in den eingetauchten Bereichen des Wabenkörpers einlagert. Auch Bedampfungsverfahren, Sputtering-Verfahren oder das stirnseitige Aufdrucken von metallischem Material ist möglich. Besonders bevorzugt ist der zweite Teilbereich als ein erhabener, an einer der Stirnseiten herausragender Bereich ausgebildet. Besonders bevorzugt können die/alle elektrisch leitfähigen Strompfade als aus der Stirnseite herausragende erhabene Teile bzw. als erhabene Strompfade an einer Stirnseite des Wabenkörpers ausgebildet sein. Der zweite Teilbereich ist dann z. B. mit einer reliefartigen Struktur versehen, bei der die als Berge herausragenden Strukturen den elektrisch leitfähigen Strompfad bilden, während die Täler oder Schlitze der elektrischen Isolierung dienen. Je nach den gewählten Verfahren zur Herstellung kann entweder zuerst die elektrische Leitfähigkeit im zweiten Teilbereich erhöht werden und anschließend die Struktur herausgearbeitet werden oder umgekehrt.

Grundsätzlich ist es erfindungsgemäß möglich, zwei oder mehr elektrisch leitfähige Teilbereiche auszubilden, beispielsweise an beiden Stirnseiten eines Waben- körpers, jedoch wird bevorzugt, alle Strompfade als erhabene Strompfade nur an einer Stirnseite des Wabenkörpers anzuordnen.

Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines Wabenkörpers aus keramischem Material mit durch Wände voneinander getrennten Kanälen und einer vorderen Stirnseite und einer hinteren Stirnseite sowie einer Mantelfläche, welcher von einem Fluid in einer Strömungsrichtung von der vorderen Stirnseite zur hinteren Stirnseite durchströmbar ist, wobei der Wabenkörper durch Extrudieren von elektrisch schlecht leitendem keramischem Material hergestellt wird. Unter elektrisch schlecht leitendem Material wird hier typisches kera- misches Material, wie beispielsweise Cordierit, verstanden, welches praktisch als elektrischer Isolator betrachtet werden kann. Erfindungsgemäß wird ein extrudier- ter Wabenkörper nach dem Extrudieren in mindestens einem ersten Teilbereich unbehandelt belassen, während er in einem zweiten Teilbereich so behandelt wird, dass die elektrische Leitfähigkeit in diesem zweiten Teilbereich erhöht wird, wo- bei die Teilbereiche in Strömungsrichtung hintereinander liegen. Unter einer Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit wird in diesem Zusammenhang verstanden, dass der zweite Teilbereich elektrisch gut leitfähig werden soll, was insbesondere bedeutet, dass die Leitfähigkeit der Wände in diesem Teilbereich ähnliche Werte erreicht wie bei aus Metallblechen oder Sintermetall hergestellten Wabenkörpern. Dies kann erfindungsgemäß bevorzugt dadurch erreicht werden, dass der zweite Teilbereich mittels eines Tauchverfahrens behandelt wird, insbesondere, indem dieser Teilbereich in eine Schmelze oder Lösung eines Metalls oder einer Metalllegierung eingetaucht wird. Die nach dem Extrudieren vorhandene Porosität führt zu einem Aufsaugen von Metall aus einer Schmelze oder Lösung, wodurch die elektrische Leitfähigkeit signifikant erhöht werden kann. Dabei hängt es von den gewählten Verfahren ab, ob das Tauchverfahren vor und/oder nach einem eventuellen Brennvorgang des extrudierten Wabenkörpers vorteilhafter ist. Bevorzugt wird der Wabenkörper bis zu einer vorgegebenen Höhe in ein Tauchbad eingetaucht, um die Höhe, das heißt die axiale Ausdehnung des zweiten Teilbereichs, festzulegen und diesen Teilbereich gleichmäßig zu behandeln. Die Dauer des Eintauchvorgangs, die Temperatur und/oder die Konzentration des Tauchbads werden dabei so gewählt, dass sich die gewünschte elektrische Leitfä- higkeit einstellt. Die Höhe des Eintauchens bzw. die axiale Ausdehnung des zweiten Teilbereichs ist insbesondere deutlich kleiner gewählt als die axiale Länge des Wabenkörpers insgesamt und beträgt beispielsweise maximal 30 % oder sogar nur maximal 10% davon. So kann die axiale Ausdehnung des zweiten Teilbereichs auch nur wenige Millimeter [mm] betragen, wie beispielsweise maximal 20 mm, oder sogar nur maximal 10 mm.

Alternativ kann gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung die elektrische Leitfähigkeit des zweiten Teilbereichs des Wabenkörpers durch ein Bedamp- fungsverfahren oder ein Sprühverfahren zur Aufbringung eines elektrischen Mate- rials vergrößert werden. Besonders vorteilhaft ist es hierbei, wenn das Verfahren vor dem Brennen eines extrudierten keramischen Wabenkörpers durchgeführt wird, weil dann ein gleichmäßiges Eindringen der aufgebrachten metallischen Schicht erreicht wird. Falls sinnvoll, können die vorstehenden Verfahrens schritte zur Einstellung der elektrischen Leitfähigkeit auch in Kombination miteinander (ggf. zu verschiede- nen Zeitpunkten der Herstellung und/oder verschiedenen Materialien) zum Einsatz kommen.

Das Verfahren kann so weitergebildet werden, dass die Behandlung des zweiten Teilbereiches selektiv erfolgt, indem durch eine Maske oder einen Schutzauftrag (oder dergleichen) vorbestimmte Trennbereiche des Wabenkörpers vor der Behandlung geschützt werden, insbesondere solche Trennbereiche, die den zweiten Teilbereich in mindestens einen elektrisch leitfähigen Strompfad unterteilen.

Ein homogener elektrisch leitfähiger zweiter Teilbereich kann unter Umständen einen für eine elektrische Beheizung ungeeigneten, nämlich einen zu niedrigen elektrischen Widerstand aufweisen. Um eine gleichmäßige Beheizung des gesamten Bereichs trotzdem zu erreichen, sieht die Erfindung verschiedene Möglichkei- ten vor, den zweiten Teilbereich elektrisch durch Trennbereiche zu unterteilen, so dass sich mindestens ein Strompfad, vorzugsweise eine Mehrzahl von Strompfaden mit geeignetem elektrischem Widerstand ergibt. Die Trennbereiche werden gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung durch die Verhinderung der Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit in diesen Bereichen gewährleistet, was bei- spielsweise durch eine Maske auf einer Stirnseite des Wabenkörpers oder durch einen Schutzauftrag erreicht wird.

Bei einer anderen Ausführungsform wird vor oder nach der Behandlung zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit an einer oder beiden Stirnseiten Material so entfernt, vorzugsweise durch Fräsen, dass mindestens ein erhabener elektrisch leitfähiger Strompfad gebildet wird oder nach der Behandlung entsteht. Durch das Fräsen oder andere Material abtragende Verfahren entstehen schlitzförmige oder auch weiter ausgedehnte Trennbereiche, die elektrisch isolierend wirken. Auf diese Weise lassen sich Bauformen erzeugen, bei denen der zweite elektrisch gut leitfähige Teilbereich ähnliche Strukturen aufweist wie bei aus Metallblechen hergestellten oder aus metallischem Material extrudierten beheizbaren Wabenkör- pern. So kann insbesondere ein gewundener oder mäanderförmiger Strompfad einfach erzeugt werden. Die Erkenntnisse zur Stromverteilung und Kontaktierung, die im Stand der Technik umfangreich vorhanden sind, können in gleicher Weise für die erfindungs gemäß hergestellten elektrisch leitfähigen Teilbereiche ange- wendet werden.

Beispielhaft werden folgende Verfahrensschritte skizziert:

A. Herstellen eines Wabenkörpers aus keramischem Material mit durch Wän- de voneinander getrennten Kanälen und einer vorderen (insbesondre ebenen) Stirnseite und einer hinteren (insbesondre ebenen) Stirnseite sowie einer (insbesondere zylindrischen) Mantelfläche, welcher von einem Fluid in einer Strömungsrichtung von der vorderen Stirnseite zur hinteren Stirnseite durchströmbar ist, wobei

a. der Wabenkörper einteilig bevorzugt mittels Extrusion erzeugt wird,

und/oder

b. der Wabenkörper bevorzugt aus miteinander gefügten Segmenten von extrudiertem Material erzeugt wird,

und/oder

c. der Wabenkörper bevorzugt (nur) mit Cordierit bereitgestellt wird, so dass ein Wabenkörper mit elektrisch schlecht leitendem keramischem Material erzeugt wird. B. Behandeln des Wabenkörpers nach Schritt A., wobei in Strömungsrichtung hintereinander Teilbereiche geschaffen werden, wonach die elektrische Leitfähigkeit in mindestens einem ersten Teilbereich (praktisch) unverändert bleibt und der Wabenkörper in mindestens einem zweiten Teilbereich so behandelt wird, dass die elektrische Leitfähigkeit in diesem zweiten Teilbereich erhöht wird, wobei a. bevorzugt erhabene Bereiche an einer (einzelnen) Stirnseite gebildet werden,

insbesondere durch Fräsen,

und/oder

b. bevorzugt der Abschnitt des Wabenkörpers, der den zweiten Teilbereich ausformen soll, mit einem Metall versehen wird,

bevorzugt mittels eines Tauchbades in einer Schmelze und/oder einer Lösung,

und/oder

- bevorzugt mittels eines Bedampfungsverfahren und/oder eines Sprüh Verfahrens,

und/oder

c. bevorzugt eine selektive Behandlung erfolgt, wobei durch eine Maske oder einen Schutzauftrag vorbestimmte Trennbereiche des Wabenkörpers vor der Behandlung geschützt werden.

C. Thermische Behandlung des Wabenkörpers, insbesondere zur Aushärtung des Materials bzw. der Wände des Wabenköpers (Brennen). D. Beschichten des Wabenkörpers mit einer katalytisch aktiven Beschichtung

(optional).

Hierbei kann der Schritt B. (bzw. die darin skizzierten Prozesse) vor und/oder nach Schritt C. erfolgen.

Weitere Einzelheiten und Ausführungsbeispiele der Erfindung, auf die diese jedoch nicht beschränkt ist, werden anhand der Zeichnung im Folgenden näher erläutert: Dabei sind Einzelheiten der einzelnen Ausführungsbeispiele auch in anderer Weise als hier ausgewählt miteinander kombinierbar. Es zeigen: Fig. 1: schematisch den Aufbau eines keramischen Wabenkörpers mit einem ersten elektrisch schlecht leitenden und einem zweiten elektrisch gut leitenden Teilbereich,

Fig. 2: einen erfindungsgemäßen Wabenkörper mit einem durch Schlitze unterteilten elektrisch leitfähigen Teilbereich,

Fig. 3: schematisch einen Wabenkörper wie in Fig. 2 mit Darstellung eines zugehörigen elektrischen Stromkreises,

Fig. 4: eine stirnseitige Ansicht eines erfindungsgemäßen Wabenkörpers, bei dem mehrere parallele Strompfade durch Trennbereiche gebildet sind, und

Fig. 5: schematisch eine Veranschaulichung eines erfindungsgemäßen Tauchverfahrens.

Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen extrudierten keramischen Wabenkörpers 1 mit einer vorderen Stirnseite 2 und einer hinteren Stirnseite 3, wobei der Wabenkörper 1 Wände 10 aufweist, welche Kanäle 11 bildet. Diese Kanäle 11 sind in Strömungsrichtung S von einem Fluid, insbesondere einem Gas, durchströmbar. Der Wabenkörper 1 hat in Strömungsrichtung S eine axiale Länge L und außen eine umgebende Mantelfläche 4. In einem ersten Teilbereich 5 ist der Wabenkörper elektrisch schlecht leitend, insbesondere für praktische Zwecke elektrisch isolierend. In einem zweiten Teilbereich 6, der bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel an die Stirnseite 2 angrenzt, weist der Wabenkörper eine gute elektrische Leitfähigkeit ähnlich der von metallischen Wabenkörpern auf. In Fig. 1 ist auch angedeutet, dass es nicht nur einen elektrisch gut leitfähigen Teilbereich geben kann, sondern mehrere. In diesem Ausführungsbeispiel ist auch an die hintere Stirnseite angrenzend ein weiterer zweiter Teilbereich 7 elektrisch gut leitfähig ausgebildet. Fig. 2 veranschaulicht, auf welche Weise ein elektrisch leitfähiger zweiter Teilbereich 6 eines Wabenkörpers 1 durch Trennbereiche, im vorliegenden Fall Schlitze 8, elektrisch unterteilt werden kann, um einen gewünschten elektrischen Widerstand zu erzielen. Die Methode der Unterteilung einer elektrisch leitfähigen Scheibe durch Schlitze ist im Stand der Technik gut bekannt und die von diesem Stand der Technik bekannten Maßnahmen und Vorteile können auch bei der vorliegenden Erfindung Anwendung finden. Sehr wichtig ist dabei, dass nur wenig Rücksicht auf die mechanische Stabilität des elektrisch gut leitfähigen Teilbereichs 6 bei dem Einbringen von Schlitzen 8 genommen werden muss, weil dieser zweite Teilbereich 6 integral mit dem ersten Teilbereich 5 zusammenhängt und seine Stabilität von dem ersten Teilbereich 5 erhält. Wichtig ist allerdings, dass der elektrisch gut leitfähige zweite Teilbereich 6 eine Höhe H hat, die geringer ist als eine Tiefe T der Schlitze 8. Die Schlitze 8 sollten bis zu einer Grenzfläche 9 innerhalb des ersten Teilbereichs 5 reichen, um Kurzschlüsse zwischen den ein- zelnen Teilen des geschlitzten zweiten Teilbereichs 6 zu vermeiden.

Fig. 3 veranschaulicht, wie ein erfindungsgemäßer Wabenkörper gemäß Fig. 2 in einen elektrischen Stromkreis eingebunden werden kann. Im vorliegenden Aus- führungsbeispiel wird der zweite Teilbereich 6 an zwei Seiten von der Mantelflä- che 4 aus kontaktiert, nämlich mit einem ersten Anschlusskontakt 13 und einem zweiten Anschlusskontakt 14. Über elektrische Zuleitungen 15 können diese mit einer elektrischen Stromquelle 16, ggf. über einen Schalter, verbunden werden. In dem zweiten Teilbereich 6 des Wabenkörpers 1 bildet sich dann ein Strompfad 12 aus, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel mäanderförmig um die Schlitze 8 im Bereich der Stirnseite 2 verläuft. So kann der zweite Teilbereich 6 die gleichen Aufgaben zur elektrischen Beheizung übernehmen wie aus dem Stand der Technik bekannte scheibenförmige elektrisch leitfähige Wabenkörper, ist jedoch integraler Bestandteil eines größeren Wabenkörpers und dadurch mechanisch stabil gehaltert. Fig. 4 zeigt schematisch eine stirnseitige Ansicht eines erfindungsgemäßen Wabenkörpers 1, bei dem eine Unterteilung des zweiten Teilbereichs 6 in mehrere Strompfade 20, 21, 22, 23, 24 vorgenommen wurde. Die Trennbereiche 19 können entweder elektrisch nicht leitfähig gemachte Bereiche oder Schlitze sein. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist ein relativ breiter und kurzer zentraler Strompfad 20 vorhanden, durch den ein relativ starker Strom von dem ersten Anschlusskontakt 13 zum zweiten Anschlusskontakt 14 fließen kann, wenn diese mit einer Spannung beaufschlagt werden. Bei von Fluiden durchströmbaren Wabenkörpern wird oft die höchste Heizleistung im Zentrum benötigt, weshalb diese Ausführungsform besonders sinnvoll sein kann.

Zwei dezentrale Strompfade 21, 22 sind etwas länger und etwas weniger breit ausgeführt, so dass durch diese geringere Teilströme fließen, wenn der erste Anschlusskontakt 13 und der zweite Anschlusskontakt 14 mit einer Spannung beauf- schlagt werden. Noch geringere Ströme fließen in diesem Falle durch die beiden seitlichen Strompfade 23, 24. Die Fig. 4 ist nur ein Beispiel für die vielen Möglichkeiten, die sich dem Fachmann für die Unterteilung des zweiten Teilbereichs bieten, insbesondere wenn er nur in geringem Maße auf die Stabilität der entstehenden Strukturen achten muss, weil diese durch den ersten Teilbereich 5 prak- tisch immer gewährleistet wird.

Es sei darauf hingewiesen, dass zwar die Anordnung eines elektrisch gut leitfähigen Teilbereichs an einer der Stirnseiten, insbesondere der vorderen Stirnseite 2 eines Wabenkörpers 1 besonders bevorzugt ist, jedoch ist auch eine Anordnung an der hinteren Stirnseite 3 oder an beiden Stirnseiten 2, 3 möglich. Je nach dem gewählten Verfahren für die Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit in einem Teilbereich ist es sogar auch möglich, einen solchen Teilbereich im Inneren eines Wabenkörpers zu erzeugen und ggf. sogar zu strukturieren. Sofern man von beiden Stirnseiten aus z. B. durch Tauchen eine Schutzbeschichtung aufbringt, die über eine geeignete Maske auch Trennbereiche im gesamten Wabenkörper erreichen kann, so kann durch anschließendes Tauchen des Wabenkörpers in ein Tauchbad mit metallischem Material gerade der Teilbereich im Inneren des Wabenkörpers elektrisch leitfähig gemacht werden, der nicht mit einer Schutzbe- schichtung versehen ist. Die Erfindung bietet daher über die beschriebenen Aus- führungsbeispiele hinaus zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten zur Herstellung stabiler Wabenkörper mit einem oder mehreren elektrisch beheizbaren Teilberie- chen.

Fig. 5 veranschaulicht ganz schematisch den erfindungsgemäßen Beschichtungs- vorgang eines Wabenkörpers 1. Dieser wird so tief in ein Tauchbad 18 in einem Behälter 17 eingetaucht, dass ein erster Teilbereich 5 oberhalb des Tauchbads 18 bleibt, während ein zweiter Teilbereich 6 bis zu einer Höhe H sich mit Flüssigkeit des Tauchbads 18 füllt und diese teilweise aufsaugt. Nach der Entnahme des Wabenkörpers 1 aus dem Tauchbad und ggf. einer weiteren Behandlung, insbesondere dem Brennen, entsteht so ein erfindungs gemäßer Wabenkörper mit zwei Teil- bereichen 5, 6 unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit.

Vorsorglich sei noch darauf hingewiesen, dass die in den Figuren gezeigten Kombinationen von technischen Merkmalen nicht generell zwingend sind. So können technische Merkmale einer Figur mit anderen technischen Merkmalen einer weite- ren Figur und/oder der allgemeinen Beschreibung kombiniert werden. Etwas anderes soll nur gelten, wenn hier explizit die Kombination von Merkmalen ausgewiesen wurde und/oder der Fachmann erkennt, dass sonst die Grundfunktionen der Vorrichtung nicht mehr erfüllt werden können. Das bevorzugte Anwendungsgebiet der Erfindung ist die Abgasreinigung von Verbrennungsmaschinen, insbesondere bei Kraftfahrzeugen. Abgasreinigungsanlagen enthalten im Allgemeinen nicht nur eine elektrisch beheizbare Scheibe, sondern weitere Wabenkörper als Partikelfilter und/oder als katalytische Konverter mit einer katalytisch aktiven Beschichtung. Die vorliegende Erfindung kann daher zwei Komponenten gleichzeitig bereitstellen, nämlich eine elektrisch beheizbare Scheibe und einen integral zugehörigen Wabenkörper, dessen Dimensio- nen, insbesondere dessen axiale Länge unabhängig von der axialen Länge der beheizbaren Scheibe wählbar ist.

Bezugszeichenliste

1 Wabenkörper

2 Vordere Stirnseite

3 Hintere Stirnseite

4 Mantelfläche

5 Erster Teilbereich

6 Zweiter Teilbereich

7 Weiterer zweiter Teilbereich

8 Schlitz

9 Grenzfläche

10 Wand

11 Kanal

12 Strompfad

13 Erster Anschlusskontakt

14 Zweiter Anschlusskontakt

15 Elektrische Zuleitungen

16 Stromquelle

17 Tauchbehälter

18 Tauchbad

19 Trennbereich

20 Zentraler Strompfad

21 Dezentraler Strompfad

22 Dezentraler Strompfad

23 Seitlicher Strompfad

24 Seitlicher Strompfad

H Höhe

L axiale Länge

T Tiefe

S S trömung srichtung

Claims

Patentansprüche

Wabenkörper (1), extrudiert aus keramischem Material, mit durch Wände (10) voneinander getrennten Kanälen (11) und einer vorderen Stirnseite (2) und einer hinteren Stirnseite (3) sowie einer Mantelfläche (4), welcher von einem Fluid in einer Strömungsrichtung (S) von der vorderen Stirnseite (2) zur hinteren Stirnseite (3) durchströmbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Wabenkörper (1) in mindestens einem ersten Teilbereich (5) elektrisch weniger gut leitfähig ist als in mindestens einem zweiten Teilbereich (6), wobei die Teilbereiche (5, 6) in Strömungsrichtung (S) hintereinander liegen.

2. Wabenkörper (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Teilbereich (6) mindestens einen elektrisch leitfähigen Strompfad (12) definiert, der mindestens zwei Anschlusskontakte (13, 14) miteinander verbindet, wobei die Anschlusskontakte (13, 14) zumindest an einer Stirnseite (2, 3) oder der Mantelfläche (4) des Wabenkörpers (1) angeordnet sind.

3. Wabenkörper (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von elektrisch leitfähigen Strompfaden (20, 21, 22, 23, 24) vorhanden ist.

Wabenkörper (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle elektrisch leitfähigen Strompfade (20, 21, 22, 23, 24) im Bereich von einer der Stirnseiten (2, 3) des Wabenkörpers (1) angeordnet sind.

5. Wabenkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Teilbereich zumindest eine radial oder axial inhomogene elektrische Leitfähigkeit aufweist.

6. Wabenkörper (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch besser leitfähige Teilbereich (6; 7) durch Hinzufügen von elektrisch leitfähigem Material (18) zu einem fertig vorgeformten, überall aus dem gleichen Material bestehenden Wabenkörper (1) hergestellt ist.

7. Wabenkörper (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Teilbereich (6; 7) als ein erhabener, an einer der Stirnseiten (2; 3) herausragender Bereich ausgebildet ist.

Wabenkörper (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass alle Strompfade (12; 20, 21, 22, 23, 24) als erhabene Strompfade an einer Stirnseite (2; 3) des Wabenkörpers (1) ausgebildet sind.

Verfahren zur Herstellung eines Wabenkörpers (1) aus keramischem Material mit durch Wände (10) voneinander getrennten Kanälen (11) und einer vorderen Stirnseite (2) und einer hinteren Stirnseite (3) sowie einer Mantelfläche (4), welcher von einem Fluid in einer Strömungsrichtung (S) von der vorderen Stirnseite (2) zur hinteren Stirnseite (3) durchströmbar ist, wobei der Wabenkörper (1) durch Extrudieren von elektrisch schlecht leitendem keramischem Material hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Wabenkörper (1) nach dem Extrudieren in mindestens einem zweiten Teilbereich (6; 7) so behandelt wird, dass die elektrische Leitfähigkeit in diesem zweiten Teilbereich (6; 7) erhöht wird, während sie in mindestens einem ersten Teilbereich (5) unverändert bleibt, wobei die Teilbereiche (5, 6; 7) in Strömungsrichtung (S) hintereinander liegen.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlung durch ein Tauchverfahren erfolgt.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Waben- körper (1) mit einer Stirnseite (2; 3) bis zu einer vorgegebenen Höhe (H) in ein Tauchbad (18) eingetaucht wird.

12. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Leitfähigkeit des zweiten Teilbereichs (6; 7) des Wabenkörpers (1) durch ein Bedampfungs verfahren oder ein Sprüh verfahren vergrößert wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlung des zweiten Teilbereiches (6; 7) selektiv erfolgt, indem durch eine Maske oder einen Schutzauftrag oder dergleichen vorbe- stimmte Trennbereiche (19) des Wabenkörpers (1) vor der Behandlung geschützt werden.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass vor oder nach der Behandlung an einer oder beiden Stirnseiten (2; 3) Material so entfernt wird, dass mindestens ein erhabener elektrisch leitfähiger Strompfad (12; 20, 21, 22, 23, 24) gebildet wird oder nach der Behandlung entsteht.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlung vor oder nach einem Brennen des extrudierten Wabenkörpers (1) erfolgt, wobei eine Entfernung von Material an den Stirnseiten ebenfalls vor oder nach dem Brennen erfolgt.