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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Schweiß- bzw. Lötverbindung
von flächig
aufeinanderliegenden Verbindungszonen von Filterelementen, insbesondere
von porösen
Sintermetallfilterplatten sowie auf einen Partikelfilter mit einer
Vielzahl von miteinander verbundenen Filterelementen.
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Aus
der
DE 203 06 641
U1 ist es bekannt, den Filterkörper eines Abgaspartikelfilters
herzustellen, indem Sintermetallfilterplatten an flächig aufeinanderliegenden
Randstreifen durch Schmelzschweißen oder Löten miteinander verbunden werden.
Bevor die Schweiß-
oder Lötverbindung
erfolgt, werden die Randstreifen durch Pressung verdichtet, so dass die
Randstreifen etwa halb so dick wie die unverdichteten Sintermetallfilterplatten
sind. Sodann werden die Randstreifen zur Bildung einer Doppellage
gefalzt, die dann etwa wieder die gleiche Dicke wie die unverdichteten
Sintermetallfilterplatten aufweist. Danach werden die an den Rändern der
Sintermetallfilterplatten gebildeten verdichteten Doppellagen miteinander
verschweißt
bzw. verlötet.
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Aus
der
DE 42 39 135 C1 ist
es bekannt, die Sintermetallfilterplatten von Abgaspartikelfiltern
im wesentlichen nur durch Formschluss miteinander zu verbinden.
Zu diesem Zweck werden die Sinterplatten mit an ihren Rändern angeformten
abgewinkelten Lappen und dazu passenden randseitigen Schlitzöffnungen
hergestellt, so dass sich benachbarte Platten durch Einstecken der
Lappen in die schlitzförmigen Öffnungen
der jeweiligen Nachbarplatte miteinander verbinden lassen. Gegebenenfalls
können
die durch die schlitzartigen Öffnungen
hindurchgesteckten Lappen umgeschlagen werden, um eine unlösbare Verbindung
der Sintermetallfilterplatten zu gewährleisten.
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Abgas-
bzw. Abgaspartikelfilter von Motoren, die mit intermittierender
Verbrennung arbeiten, wie alle üblichen
Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen, werden von den Pulsationen
der Abgase beaufschlagt. Im Hinblick auf eine hohe Standfestigkeit der
Abgas- bzw. Abgaspartikelfilter müssen die Filterelemente zuverlässig und
ohne nennenswerte Materialschwächung
miteinander verbunden werden.
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Deshalb
ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, mit dem
Filterelemente auf einfache und zuverlässige Weise in einem Partikelfilter
zu einem Verbund mit besonders langer Standzeit zusammengefügt werden
können.
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Diese
Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs
1 und durch einen Partikelfilter mit den Merkmalen des Anspruchs
8 erreicht. Charakteristisch ist hierbei, dass die Verbindungszonen
der Filterelemente unter Zwischenschaltung einer Lage aus Metallmaterial
aufeinandergelegt und durch Aufschmelzen der Lage miteinander verbunden
werden.
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Die
Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, die Filterelemente
an den hierfür
vorgesehenen Verbindungszonen fest miteinander zu verbinden, vorzugsweise
ohne vorher einen gesonderten vorbereitenden Fertigungsschritt und
insbesondere ohne vorher einen zusätzlichen Umformschritt an den
entspre chenden Zonen eines einzelnen Filterelements vornehmen zu
müssen.
Ferner sollte eine Materialschwächung
eines jeweiligen Filterelements an der Verbindungsstelle möglichst
gering gehalten bzw. ganz vermieden werden. Ausgehend von bevorzugt
als Filterelement einzusetzenden Sintermetallfilterplatten kann
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
vermieden werden, die Sinterstruktur der Sintermetallfilterplatten
vor deren Verbindung durch einen separaten Fertigungsschritt wesentlich
verändern
zu müssen,
so dass die Sintermetallfilterplatten vor Durchführung des Verbindungsschritts
im wesentlichen eine homogene und einheitliche Struktur aufweisen.
Die aufeinanderliegenden Verbindungs- bzw. Randzonen der Platten
werden durch zwischen den Platten eingebrachtes Metallmaterial,
welches nachfolgend aufgeschmolzen wird, miteinander verbunden,
wobei dieses zusätzliche
Metallmaterial die Porösitäten der
Sintermetallfilterplatten an der Verbindungszone mehr oder weniger
weitgehend ausfüllt.
Zwischen den miteinander verbundenen Sintermetallfilterplatten wird
also in der Verbindungszone eine kompakte Grenzschicht ohne Porösitäten gebildet.
Mit zunehmender Entfernung von der Grenzschicht wird das Material
zunehmend poröser,
d.h. es wird ein kontinuierlicher Übergang zur „ungestörten" Struktur der Sintermetallfilterplatten
geschaffen. Das Verfahren ist somit auch für nichtflächige, in allen drei Dimensionen
ausgedehnte Filterkörper
anwendbar. Vorzugsweise findet es jedoch auf flächige, üblicherweise im Kraftfahrzeugbereich
eingesetzte Sintermetallfilterplatten Anwendung.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung kann die zur Verbindung der Filterelemente dienende Lage
aus Metallmaterial durch eine Metallfolie gebildet sein, die an
den Verbindungszonen zwischen den Filterelementen eingelegt wird.
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Stattdessen
ist es auch möglich
und vorteilhaft, eine Metallpaste zu verwenden. Diese kann beispielsweise
drucktechnisch, etwa mittels Siebdrucks, auf zumindest eine der
miteinander zu verbindenden Filterelemente aufgetragen werden.
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Außerdem kann
das Metallmaterial quer zur Längsrichtung
der jeweiligen Verbindungszone eine unterschiedliche Dicke aufweisen,
etwa derart, dass die Dicke zum freien Rand der Verbindungszone
hin zunimmt.
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Zu
diesem Zweck kann die Metallfolie beispielsweise einen keilförmigen Querschnitt
besitzen. Die Metallpaste kann beispielsweise mit entsprechend keilförmigem Querschnitt
aufgedruckt bzw. aufgetragen werden.
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Durch
die erfindungsgemäße Verbindung der
Filterelemente ist es möglich,
auf einfache Weise einen Filterkörper
für einen
besonders haltbaren Partikelfilter zu schaffen.
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Im übrigen wird
hinsichtlich bevorzugter Merkmale der Erfindung auf die Ansprüche sowie
die nachfolgende Erläuterung
der Zeichnung verwiesen, anhand der besonders bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung näher
beschrieben werden.
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Schutz
wird nicht nur für
ausdrücklich
angegebene oder dargestellte Merkmalskombinationen sondern auch
für prinzipiell
beliebige Unterkombinationen dieser Merkmale beansprucht.
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In
der Zeichnung zeigt:
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1 einen
Längsschnitt
durch einen Filterkörper,
wobei die Schnittebene in Strömungsrichtung der
zu reinigenden Abgase sowie quer zur Ebene der Filterplatten ausgerichtet
ist,
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2 einen
Querschnitt entsprechend der Schnittlinie II-II in 1,
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3 einen
Ausschnitt A der 1 und 2 vor und
nach der Verbindung der benachbarten Filterplatten,
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4 eine
der 3 entsprechende Darstellung einer abgewandelten
Ausführungsform
und
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5 eine
weitere abgewandelte Ausführungsform
in einer Darstellung entsprechend der 3.
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Der
in den 1 und 2 dargestellte Filterkörper 1 besteht
aus gasdurchlässigen
Sintermetallfilterplatten 2, die an flächig aufeinanderliegenden Randzonen 3 miteinander
verschweißt
bzw. verlötet sind,
wie weiter unten näher
dargestellt wird. Die Randzonen 3 begrenzen durch je zwei
Filterplatten 2 gebildeten Filtertaschen am Umfang. Gegebenenfalls
sind entsprechende Randzonen 3' an Verbindungen zwischen benachbarten
Filtertaschen vorgesehen. Auf diese Weise kann ein mehrere Filtertaschen
gemeinsamer Verbindungskanal für
gefilterte Abgase gebildet werden. Pfeile P in 1 zeigen den
Strom der Abgase.
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3 zeigt
nun, wie die Randzonen 3 zweier benachbarter Sintermetallfilterplatten
gemäß einer ersten
Ausführungsform
miteinander durch Schweißung
verbunden werden können:
Gemäß dem Bild
A der 3 wird zwischen die benachbarten Randzonen 3 eine
Metallfolie 4 eingelegt, deren Material bei der nachfolgenden
Verschweißung
oder Verlötung
der Randzonen 3 in das Sintermetallmaterial der Randzonen 3 eindringt,
so dass das Material der Randzonen 3 einerseits im wesentlichen
porenfrei verdichtet und andererseits miteinander fest verschweißt wird,
und sich im Fertigzustand die in Bild B dargestellte feste Verbindung
der Randzonen 3 ergibt. Vorzugsweise wird hierfür wie folgt vorgegangen.
Zunächst
werden Streifen oder Stücke von
Metallfolien 4 an den zu verbindenden Stellen der Randzonen 3 der
porösen
Filterplatten 2 appliziert. Dabei kann eine mechanische
Fixierung der Metallfolien 4 beispielsweise durch eine
geringe Menge organischen Klebers erreicht werden, der auf die entsprechenden
Randzonen 3 einer oder beider Filterplatten 2 und/oder
einseitig oder beidseitig auf die Metallfolie 4 aufgetragen
wird. Anstelle des Klebers kann jedoch auch eine Metallpaste, vorzugsweise
auf der Basis des Metallwerkstoffs der Filterplatten 2 verwendet
werden.
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In
einem nächsten
Fertigungsschritt werden die mit der Metallfolie 4 versehenen
Randzonen 3 mechanisch verdichtet, wozu eine Presse eingesetzt wird.
Vorteilhaft ist es, bei diesem Verdichtungsschritt gleichzeitig
eine Oberflächenprägung der
Filterplatten 2 vorzunehmen, so dass die Filterplatten 2 Ausprägungen erhalten,
durch welche ihr gegenseitiger Abstand im fertigen Filterkörper 1 gewährleistet
ist. Durch die Verdichtung der Randzonen 3 erfolgt bereits
ein mehr oder weniger starkes Eindringen des Metallfolienmaterials
in die Poren der porösen
Filterplatten 2. In einem auf den Verdichtungsschritt folgenden
Schweißschritt
erfolgt ein Aufschmelzen und anschließendes Verbinden des Metallfolienmaterials mit
dem Filterplattenmaterial und damit eine weitere Verfestigung der
Verbindung der Filterplatten 2 an ihren jeweiligen Randzonen 3.
Ein gegebenenfalls zur Fixierung der Metallfolien 4 verwendeter
organischen Klebers verbrennt bei dem Schweißschritt. Anstelle der Verschweißung der
Randzonen 3 kann auch eine Verlötung vorgesehen sein.
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Verdichtungs-
und Schweißschritt
können auch
in einem gleichzeitigen bzw. gemeinsamen Arbeitsschritt, etwa in
der Art eines Rollschweißvorgangs
durchgeführt
werden.
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Um
eine feste Verbindung der Filterplatten 2 durch die genannten
Fertigungsschritte zu gewährleisten,
ist es vorteilhaft, die Dicke der Metallfolie 4 an die
Porosität
des Filtermaterials im Bereich der Randzonen 3 derart anzupassen,
dass sich eine möglichst vollständige Verdichtung
bzw. Ausfüllung
der Porenöffnungen
des Filtermaterials an den Randzonen 3 ergibt. Je nach
Porosität
ist für
die Metallfolie 4 eine Dicke vorgesehen, die im Bereich
von etwa dem 0,1- bis 1,0-fachen der Filterplattendicke liegt. Besonders bevorzugt
ist ein Dickenbereich zwischen 0,2 und 0,5 in Bezug auf die Filterplattendicke.
Für übliche Filterplatten
kann eine Dicke der Metallfolie 4 von einigen zehntel Millimeter
ausreichend sein.
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Die
eingesetzte Metallfolie 4 besteht vorzugsweise aus dichtem
Material des gleichen Werkstoffs wie das poröse Filtermaterial. Es kann
jedoch auch ein poröses
Material eingesetzt werden, welches in seiner Beschaffenheit auf
den nachfolgenden Verdichtungsschritt bzw. Verschweißungsschritt
angepasst ist.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ermöglicht
es, die zu verbindenden Filterplatten 2 über ihre gesamte
Fläche,
also auch im Bereich der Randzonen 3, 3' selbst, einheitlich
auszuführen
und ohne weitere vorgelagerte Umformschritte wie Umkanten und dergleichen
vornehmen zu müssen,
in ihren Randzonen 3, 3' miteinander zu verbinden. Besonders
vorteilhaft ist es, auf den Verdichtungsschritt vor dem Aufschmelzen
des Metallfolienmaterials mit dem Filterplattenmaterial zu verzichten
werden. Auf diese Weise wird sowohl der Aufwand eines entsprechenden
Umformschritts eingespart, als auch eine damit verbundene Materialbeanspruchung
vermieden.
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Gemäß der Darstellung
der 4 kann zwischen die Randzonen 3 auch
ein Metallstreifen 5 mit keilförmigem Querschnitt eingelegt
werden, wobei in den Bildern A und B wiederum der Zustand vor und nach
dem Verdichtungs- bzw. Verschweißungsschritt dargestellt ist.
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Wie
im Bild A der 4 dargestellt, wird der Metallstreifen 5 vorzugsweise
so orientiert, dass dessen dicker Rand den freien Rändern der
Randzonen 3 zugeordnet ist. Bei der nachfolgenden Verdichtung und
Verschweißung
dringt das Material des Metallstreifens 5 wiederum in das
Sintermetall der Randzonen 3 ein. Nahe dem dünnen Rand
des Metallstreifens 5 bleibt die Eindringtiefe des Materials
des Metallstreifens 5 vergleichsweise gering, während sie
im Endbereich der Filterplatten 2 höher ist. Auf diese Weise wird
ein gleitender Übergang
zwischen verdichtetem und unverdichtetem Filtermaterial erreicht.
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Gemäß dem Bild
A der 5 kann auch auf eine Randzone 3 der miteinander
zu verbindenden Sintermetallfilterplatten 2 eine Metallpaste 6 aufgetragen
werden, beispielsweise mittels Siebdrucks. Bei der nachfolgenden
Verdichtung bzw. Verschweißung
oder Verlötung
dringt das Pastenmaterial wiederum in die benachbarten Randzonen 3 ein
und sorgt innerhalb der Randzonen für eine Verdichtung des Sintermetalls.
Gleichzeitig werden die Randzonen miteinander fest verbunden. Durch
die Verwendung einer Metallpaste kann gegebenenfalls auf den mechanischen
Verdichtungsschritt verzichtet werden, so dass ohne einen weiteren
Fertigungsschritt nach dem Auftragen der Paste verschweißt oder
verlötete
werden kann. Vorzugsweise findet eine Paste auf Basis des Filterplattenmaterials
Anwendung.
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Soweit
das Metall der Metallfolien 4, der Metallstreifen 5 bzw.
der Metallpaste 6 mit dem Metall der Sintermetallfilter platten 2 im
wesentlichen übereinstimmt,
erfolgt bei der Aufschmelzung des zwischen die Randzonen 3 eingebrachten
Materials eine Verschweißung,
wobei auch das Material der Sinterplatten zumindest angeschmolzen
wird.
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Bei
unterschiedlichen Metallmaterialien erfolgt eine Verlötung, wobei
nur das Verbindungsmaterial, welches eine geringere Schmelztemperatur haben
muss als das Material der Sintermetallfilterplatten 2,
aufgeschmolzen wird.
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Die
Verschweißung
bzw. Verlötung
der Sintermetallfilterplatten 2 kann beispielsweise durch elektrisches
Widerstandsschweißen
bzw. Widerstandslöten
erfolgen, wobei das zwischen die Randzonen 3 eingebrachte
Metallmaterial, d.h. die Metallfolien, die Metallstreifen 5 bzw.
die Metallpaste 6 von hohen elektrischen Stromstärken durchsetzt
werden.
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Grundsätzlich sind
jedoch auch andere Schweiß-
bzw. Lötverfahren
möglich.