DE10211424A1 - Wabenkörper mit wenig gekrümmten Gehäuseabschnitten und mit Verbindungselementen - Google Patents

Abstract

Es wird ein Wabenkörper (1) vorgeschlagen, der ein Gehäuse (2) und darin angeordnete Metallfolien (3) umfasst, wobei die Metallfolien (3) zumindest teilweise so strukturiert und/oder angeordnet sind, dass für ein Fluid durchströmbare Kanäle (4) gebildet sind, und bei dem das Gehäuse (2) Querschnittsbereiche (5.1, 5.2, 5.3, 5.4, 5.5, 5.6, 5.7, 5.8) mit unterschiedlichen Krümmungsradien (6.1, 6.2, 6.3, 6.4, 6.5, 6.6, 6.7, 6.8) aufweist. Der Wabenkörper zeichnet sich dadurch aus dass zwischen den Metallfolien (3) und dem Gehäuse (2) in mindestens einem, vorzugsweise jedem, Querschnittsbereich (5.1, 5.3, 5.5, 5.7) mit einem großen Krümmungsradius (6.1, 6.3, 6.5, 6.7) mindestens ein Verbindungselement (7) angeordnet ist, und die Metallfolien (3) in mindestens einem Querschnittsbereich (5.2, 5.4, 5.6, 5.8) mit kleinem Krümmungsradius (6.2, 6.4, 6.6, 6.8) direkt mit dem Gehäuse (2) verbunden sind.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wabenkörper mit einem Gehäuse und darin angeordneten Metallfolien. Die Metallfolien sind dabei zumindest teilweise so strukturiert und/oder angeordnet, dass diese für ein Fluid durchströmbare Kanäle bilden. Das Gehäuse weist Abschnitte mit unterschiedlichen Krümmungsradien auf. Derartige Wabenkörper werden insbesondere als Katalysator- Trägerkörper in Abgassystemen mobiler Verbrennungskraftmaschinen eingesetzt.
• Dabei bezieht sich diese Erfindung auf Wabenkörper, welche nicht zylindrisch aufgebaut sind, sondern einen hiervon verschiedenen Querschnitt aufweisen. Dabei sind insbesondere Ausgestaltungen gemeint, welche mindestens einen nahezu ebenen Gehäuseabschnitt aufweisen oder solche, deren Querschnitte sich unter dem Begriff "Polygon" oder Vieleck subsumieren lassen, wobei die "Ecken" einen kleinen Krümmungsradius und die Teilbereiche, welche die "Ecken" verbinden, einen großen Krümmungsradius aufweisen oder eben sind. Eine solche Bauform des Gehäuses hat zur Folge, dass das Gehäuse über den Querschnitt ein unterschiedliches thermisches Ausdehnungsverhalten hat.
• Das Gehäuse, welches zur Fixierung des Wabenkörpers im Abgassystem einer Verbrennungskraftmaschine dient, umschließt zumindest teilweise Metallfolien, die eine ausreichend große Oberfläche zur Umsetzung von im Abgas enthaltenen Schadstoffen bereitstellen sollen und in der Regel aus einem Aluminium und Chrom aufweisenden hochtemperatur-korrosionsbeständigen Stahl gefertigt sind. Die Metallfolien weisen im Allgemeinen eine sehr geringe oberflächenspezifische Wärmekapazität auf, so dass die Metallfolien wiederum ein von dem Gehäuse verschiedenes thermisches Ausdehnungsverhalten zeigen. Unter Berücksichtigung der sich im Abgasstrom fortpflanzenden Druckstöße, welche ihren Ursprung in den Verbrennungsvorgängen in der Verbrennungskraftmaschine haben, sowie den externen Schwingungsanreizen durch beispielsweise den Fahrbahnbelag, steht eine dauerhafte und strapazierfähige Ausgestaltung der fügetechnischen Verbindung der Metallfolien mit dem Gehäuse im zentralen Interesse.
• Zur Sicherstellung von dauerhaften fügetechnischen Verbindungen zwischen Metallfolien und einem zylindrischen Gehäuse wird beispielsweise in der DE 39 30 680 eine elastische Lagerung der Metallfolien in dem Gehäuse vorgeschlagen. Der Stapel Metallfolien ist dabei nicht über den gesamten Umfang mit dem Gehäuse verlötet, sondern von zwei oder mehr Lagern elastisch am Gehäuse aufgehängt. Die Lager sind so ausgebildet, dass sie die Relativbewegungen zwischen Gehäuse und Wabenkörper, die beispielsweise durch das Erwärmen sowie das daraus resultierende Wachstum des Stapels entstehen, in radialer Richtung bzw. bei der dadurch entstehenden Vergrößerung des Umfangs des Wabenkörpers, auch in tangentialer Richtung aufnehmen können. Die Lager bestehen aus gleichmäßig über den Umfang verteilten Blattfedern. Der Blechstapel wird durch die Lagerung in einem Abstand von 2-10 mm vom Gehäuse gehalten, wobei ein Längsabschnitt der Blattfedern mit dem Stapel Metallfolien und ein gegenüberliegender Längsabschnitt der Blattfedern mit dem Gehäuse verbunden ist.
• Hierbei wird jedoch davon ausgegangen, dass das Gehäuse über dem Querschnitt ein relativ gleichmäßiges thermisches Ausdehnungsverhalten hat, sowie auch das Verhalten der zentrisch angeordneten metallischen Wabenstruktur als gleichmäßig betrachtet wird. Aus diesem Grund enthält dieses Dokument keine Hinweise darauf, wie die Lager in Abhängigkeit eines hiervon abweichenden thermischen Ausdehnungsverhaltens anzuordnen sind.
• Hiervon ausgehend, ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Wabenkörper anzugeben, der eine dauerhafte, thermisch und dynamisch belastbare Anbindung der Metallfolien an ein Gehäuse mit einem nicht-zylindrischen Querschnitt gewährleistet.
• Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Wabenkörper mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Wabenkörpers sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben, wobei die dort aufgezeigten Merkmale einzeln oder in beliebiger Kombination miteinander auftreten können.
• Der Wabenkörper umfasst demnach ein Gehäuse und darin angeordnete Metallfolien, welche zumindest teilweise so strukturiert und/oder angeordnet sind, dass für ein Fluid durchströmbare Kanäle gebildet sind. Als Fluid kommt insbesondere das Abgas einer mobilen Verbrennungskraftmaschine (z. B. Otto- oder Dieselmotor) in Betracht, welches gegebenenfalls auch festen Partikel, z. B. Ruß, enthalten kann. Das Gehäuse weist Querschnittsbereiche mit unterschiedlichen Krümmungsradien auf. Erfindungsgemäß ist nun zwischen den Metallfolien und dem Gehäuse in mindestens einem, vorzugsweise jedem, Querschnittsbereich mit einem großen Krümmungsradius mindestens ein Verbindungselement angeordnet. Ein Querschnittsbereich mit großem Krümmungsradius gehört dabei entweder zu einem praktisch ebenen Abschnitt des Gehäuses oder zu einem Gehäuseabschnitt, dessen Krümmungsmittelpunkt jedenfalls außerhalb des Wabenkörpers liegt. Dabei sind die Metallfolien in mindestens einem Querschnittsbereich mit kleinem Krümmungsradius, d. h. einem im Inneren des Wabenkörpers liegenden Krümmungsmittelpunkt, direkt mit dem Gehäuse verbunden. "Direkt verbunden" heißt in diesem Zusammenhang, dass kein Verbindungsvermittler in Form einer metallischen Folie oder dergleichen in diesem Querschnittsbereich angeordnet ist, sondern jedes dort liegende Ende der Metallfolien also an dem Gehäuse anliegt, und dort gegebenenfalls mit dem Gehäuse fügetechnisch verbunden ist. "Direkt verbunden" bedeutet aber sehr wohl, dass in diesem Querschnittsbereich ggf. Beschichtungen (z. B. Keramik, Lot, Haftmittel oder ähnliches) vorgesehen sein können, wobei diesen aber üblicherweise im wesentlichen eine signifikante "Feder- Eigenschaft" fehlt.
• Bei Untersuchungen betreffend solche nicht-zylindrischen Wabenkörper bzw. Gehäuse, wurde festgestellt, dass insbesondere die Querschnittsbereiche des Gehäuses zur starken Deformation neigen, welche einen besonders großen Krümmungsradius aufweisen oder eben sind. Das hat zur Folge, dass sich diese Querschnittsbereiche mit dem großen Krümmungsradius beim Aufheizvorgang deutlich von ihrer ursprünglichen Position wegbewegen, während die Querschnittsbereiche des Gehäuses mit einem kleinen Krümmungsradius nahezu unverändert bleiben. Hierin ist wohl die Ursache dafür zu sehen, dass solche Wabenkörper bislang gerade in Langzeit-Versuchen eine geringere Dauerfestigkeit zeigten als zylindrische Wabenkörper. Infolgedessen wird hier erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass eine Verbindung der Metallfolien zu den Querschnittsbereichen mit einem großen Krümmungsradius nicht direkt ausgeführt ist, sondern ein Verbindungselement zur Kompensation des unterschiedlichen thermischen Ausdehnungsverhaltens "zwischengeschaltet" ist. Das mindestens eine Verbindungselement ist demnach einerseits mit den Metallfolien und andererseits mit dem Gehäuse verbunden, wobei dieses eine Relativbewegung des Gehäuses gegenüber den Metallfolien, beispielsweise durch elastische oder plastische Verformung, kompensiert. Je nach Größe des Krümmungsradius und/oder der Anzahl von Querschnittsbereichen mit einem großen Krümmungsradius sind in einer Mehrzahl von Querschnittsbereichen mit großem Krümmungsradius derartige Verbindungselemente anzuordnen. Besonders bevorzugt ist dabei die Anordnung von jeweils einem Verbindungselement in allen Querschnittsbereichen mit großem Krümmungsradius. Die Unterscheidung zwischen großem und kleinem Krümmungsradius ist im wesentlichen von der Gestalt des Gehäuses und des daraus resultierenden thermischen Ausdehnungsverhaltens abhängig, jedoch kann man kleine Krümmungsradien daran erkennen, dass die Krümmungsmittelpunkte im Inneren des Gehäuses liegen, während die großer Krümmungsradien außerhalb des Gehäuses liegen. Die obere Grenze eines großen Krümmungsradius liegt im Unendlichen, d. h. dass der zugehörige Querschnittsbereich flach, geradlinig bzw. eben ist.
• Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist jeweils mindestens ein Verbindungselement in allen Querschnittsbereichen des Gehäuses mit dem größten Krümmungsradius angeordnet. Dies betrifft beispielsweise die Ausgestaltung eines Gehäuses mit einer Mehrzahl unterschiedlicher Krümmungsradien, wobei eine "dynamische" Fixierung der Metallfolien am Gehäuse lediglich in den Querschnittsbereichen mit den größten Krümmungsradien ausgebildet ist. Dadurch ist einerseits gewährleistet, dass ausreichend Platz zur Anbindung des Verbindungselementes an dem Gehäuse verfügbar ist, andererseits wird zudem eine kostenintensive Herstellung eines solchen Wabenkörpers vermieden, wobei dennoch eine ausreichende Dauerfestigkeit bezüglich der Verbindung Metallfolien-Gehäuse sichergestellt ist.
• Besonders bevorzugt ist die Ausgestaltung des Wabenkörpers, bei dem der Querschnittsbereich mit dem großen bzw. größten Krümmungsradius eine Flanke ist. Das heißt, dass die Verbindungselemente in einem geradlinigen Querschnittsbereich des Gehäuses angeordnet sind. Dies erlaubt eine besonders einfache Ausgestaltung des Verbindungselementes, wodurch die Herstellungskosten eines solchen Wabenkörpers weiter reduziert werden können. Zudem bieten sich ausreichend große Anlageflächen, die eine dauerhafte Verbindung der Mantelfolien an dem Verbindungselement bzw. zwischen dem Gehäuse und dem Verbindungselement sicherstellen. Hier sei zudem angemerkt, dass bei einer Flanke der Krümmungsradius unendlich groß ist.
• Weiter wird vorgeschlagen, dass das mindestens eine Verbindungselement des Wabenkörpers wenigstens einen Anbindungsbereich und zumindest einen Verbindungsabschnitt aufweist, wobei in dem wenigstens einen Anbindungsbereich eine fügetechnische Verbindung mit den Metallfolien und in dem zumindest einen Verbindungsabschnitt eine fügetechnische Verbindung mit dem Gehäuse ausgeführt ist. Dabei sind der wenigstens eine Anbindungsbereich und der zumindest eine Verbindungsabschnitt bevorzugt in Richtung einer Achse des Wabenkörpers voneinander beabstandet. Bei dieser besonders bevorzugten Ausgestaltung des Wabenkörpers sind demnach die Verbindungselemente auf dem Umfang des Stapels mit den Metallfolien so verteilt, dass diese nur in den Querschnittsbereichen mit einem relativ großen Krümmungsradius angeordnet sind, und die Anbindungen der Verbindungselemente mit den Metallfolien einerseits und dem Gehäuse andererseits axial voneinander beabstandet sind. Dies hat den Vorteil, dass beispielsweise eine relativ unbehinderte Dehnung bzw. Schrumpfung des Wabenkörpers in Umfangsrichtung erlaubt wird. Die axial voneinander beabstandete Anbindung der Verbindungselemente mit den Metallfolien einerseits bzw. dem Gehäuse andererseits ermöglicht eine spannungsarme Expansion des Wabenkörpers in radialer Richtung. Die axiale Dehnfreiheit des Wabenkörpers ist dadurch gewährleistet, dass der Wabenkörper nicht über die gesamte Länge mit den Verbindungselementen verbunden ist. Die Verbindungselemente selbst dienen dabei als eine Art Biegefedern, welche das unterschiedliche thermische Ausdehnungsverhalten (welches gerade in den Querschnittsbereichen mit großem Krümmungsradius vorliegt) kompensieren. Der Abstand des Anbindungsbereiches hin zum Verbindungsabschnitt beträgt dabei bevorzugt mindestens 15 mm, insbesondere mindestens 30 mm, bei besonders langen Wabenkörpern sogar mehr als 70 mm.
• Gerade im Hinblick auf die zuvor genannte Ausgestaltung des Wabenkörpers ist es besonders vorteilhaft, die fügetechnischen Verbindungen als Lotverbindungen und/oder Schweißverbindungen auszuführen. Bevorzugt ist dabei die Verbindung von Metallfolie und Verbindungselement mittels einem pulverförmigen Lot und die Verbindung des Verbindungselementes mit dem Mantelrohr mittels einer Schweißverbindung ausgeführt. Dadurch bietet sich beispielsweise die Möglichkeit, die Verbindungselemente mittels einer äußeren Schweißbehandlung (z. B. Punktschweißung) des Gehäuses mit diesem zu verbinden.
• Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist das mindestens eine Verbindungselement wenigstens einen Dehnungsschlitz auf, welcher bevorzugt außerhalb eines Anbindungsbereiches des Verbindungselementes mit den Metallfolien angeordnet ist. Besonders bevorzugt ist auch die Anordnung des wenigstens einen Dehnungsschlitzes außerhalb des Verbindungsabschnittes mit dem Gehäuse. Die Ausrichtung der Dehnungsschlitze kann in Umfangsrichtung und/oder in Richtung der Achse des Wabenkörpers erfolgen. Die Dehnungsschlitze bieten einerseits die Möglichkeit eines unterschiedlichen thermischen Ausdehnungsverhalten des Verbindungselementes selbst bzw. der Metallfolien gegenüber dem Gehäuse. Bei einer Expansion in Umfangsrichtung werden beispielsweise axial ausgerichtete Dehnungsschlitze gespreizt, während ein analoges Verhalten von in Umfangsrichtung orientierte Dehnungsschlitze bei axialem Relativbewegungen zwischen Metallfolien und Wabenkörper festzustellen ist. Weiterhin haben die Dehnungsschlitze eine Beeinflussung der Biegesteifigkeit der Verbindungselemente zur Folge. Das bedeutet, dass mit steigender Anzahl der Dehnungsschlitze die Biegefestigkeit der Verbindungselemente sinkt und auf diese Weise ein relativ unbehindertes Ausdehnungsverhalten von Metallfolien und/oder Gehäuse ermöglicht wird. Allerdings wird diese Senkung der Biegesteifigkeit dadurch begrenzt, dass eine solche Fixierung der Metallfolien im Inneren des Gehäuses auch hohen dynamischen Belastungen standhalten muss. Demnach ist die Biegesteifigkeit so einzustellen, dass einerseits eine relativ unbehinderte Dehnung des Wabenkörpers bei thermischen Belastungen gewährleistet ist, andererseits eine starke Schwingung des Wabenkörpers aufgrund im Abgas auftretender Druckschwankungen verhindert wird. Besonders bevorzugt ist die Ausgestaltung der Dehnungsschlitze mit Aussparungen an deren Endbereichen, welche die Dehnungsschlitze im Inneren des Verbindungselementes begrenzen. Die Aussparung ist hierbei im wesentlichen rund auszuführen und dient zur Verhinderung von Kerben, welche sonst beispielsweise aufgrund hoher dynamischer Beanspruchung in den Endbereichen der Dehnungsschlitze auftreten könnten.
• Weiter wird vorgeschlagen, dass der Anbindungsbereich des mindestens einen Verbindungselementes von mindestens einem Passivierungsmittel begrenzt ist. Wie bereits oben erläutert, ist eine Verbindung zwischen Metallfolien und dem Verbindungselement bevorzugt mit einem pulverförmigen Lot aus auszuführen, welches zunächst mit einem Haftmittel fixiert wird und sich anschließend infolge einer thermischen Behandlung verflüssigt und die benachbarten Teile verbindet. Um eine definierte Anbindung der Metallfolien an das Verbindungselement zu gewährleisten, ist eine exakte Begrenzung des Anbindungsbereiches erforderlich. Dies wird beispielsweise dadurch erreicht, dass eine Passivierungsschicht und/oder eine besonders ausgeformte Gestaltung des Materials des Verbindungselementes an der Grenze des Anbindungsbereiches platziert wird, welche ein Herausfließen des Lots verhindern, wenn dieses erwärmt wird. Ein solches Fließen des Lotmittels hin zu Bereichen außerhalb des vorbestimmten Anbindungsbereiches hat zur Folge, dass einerseits in dem vorbestimmten Anbindungsbereich unter Umständen nicht ausreichend Lotmittel zur Verfügung steht, um eine dauerhafte Anbindung der Metallfolien an das Verbindungselement zu gewährleisten. Andererseits werden fügetechnische Verbindungen außerhalb des Anbindungsbereiches möglich. Um dies zu verhindern, werden Passivierungsschichten (z. B. als keramische Beschichtung oder als Oxid-Beschichtung) und/oder konstruktive Maßnahmen (Aufrauen der Oberfläche, Absätze, Vorsprünge oder dergleichen) betreffend das Verbindungselement selbst vorgeschlagen.
• Gemäß noch einer weiteren Ausgestaltung des Wabenkörpers sind die Metallfolien jeweils zumindest mit einem ihrer Ende hin zum Gehäuse ausgerichtet, wobei alle diese Enden mit dem mindestens einen Verbindungselement fügetechnisch verbunden sind. Prinzipiell sei an dieser Stelle erwähnt, dass die Metallfolien in der Regel zunächst gestapelt und anschließend gebogen, gewunden und/oder gewickelt werden. Das hat zur Folge, dass der Stapel Metallfolien (bzw. die Metallfolien selbst) anschließend einen bestimmten Verlauf nimmt, wobei hier insbesondere ein spiraliger, ein S-förmiger, ein U-förmiger oder ein V-förmiger Verlauf genannt sei. Zur prinzipiellen Herstellung solcher Stapel sei insbesondere auf die Dokumente DE 37 43 723, EP 0 245 737 und WO 90/03220 verwiesen, deren Offenbarungsinhalt hiermit vollständig auch Gegenstand dieser Beschreibung ist.
• Betrachtet man beispielsweise einen spiraligen Verlauf, so sind die einen Enden des Stapels Metallfolien im Inneren, also im Zentrum, angeordnet, während die gegenüberliegenden Enden nahe des Gehäuses angeordnet sind, insbesondere liegen diese am inneren Umfang des Gehäuses an. Betrachtet man nun beispielsweise einen S-förmigen Verlauf, so können beide Enden einer Metallfolie an gegenüberliegenden Innenseiten des Gehäuses anliegen. Bei U- oder V-förmigen Verläufen ist es unter Umständen sogar möglich, dass beide Enden sehr dicht zueinander angeordnet sind und somit alle Enden hin zu einer Seite bzw. hin zu einem Querschnittsbereich des Gehäuses ausgerichtet sind. Werden nun alle diese Enden mit dem Verbindungselement fügetechnisch verbunden, wird ein Flattern dieser Enden infolge der sich im Abgasstrom fortpflanzenden Druckschwankungen vermieden. Überragt das Verbindungselement mit seinem Anbindungsbereich zudem all diese Enden der Metallfolien und besteht zudem eine fügetechnische Verbindung mit den angrenzenden "mittleren" Teilbereichen der Metallfolien, wird zudem die relative Lage der Enden zu den anderen, "mittleren", Teilbereichen der Metallfolien fixiert, so dass eine Veränderung des entsprechenden Verlaufs der Metallfolien über einen sehr langen Zeitraum verhindert wird.
• Im Hinblick auf die explizite Ausgestaltung des Gehäuses ist ein ovaler bzw. ein polygonaler Querschnitt bevorzugt. Betreffend den polygonalen Querschnitt ist bevorzugt von aneinander abwechselnd angrenzenden Querschnittsbereichen mit kleinen und großen Krümmungsradien auszugehen. Die Anzahl der Querschnittsbereiche mit kleinen Krümmungsradien ("Ecken") liegt hierbei bevorzugt bei 2, 4, 6 oder 8.
• Gemäß noch einer weiteren Ausgestaltung des Wabenkörpers haben das Gehäuse eine Erstreckung und die Metallfolien eine Länge in Richtung einer Achse des Wabenkörpers, wobei die Erstreckung und die Länge betragsmäßig voneinander verschieden ausgeführt sind. Das bedeutet, dass das Gehäuse auf einer Stirnseite bzw. auf beiden Stirnseiten des Wabenkörpers über die Länge der Metallfolien hinausragt, insbesondere um 3 mm bis 10 mm. Dies kann jedoch auch bedeuten, dass die Metallfolien in Richtung der Achse über das Gehäuse hervorstehen (über eine Stirnseite oder beide). Dieser Überstand liegt ebenfalls im Bereich von 3 mm bis 10 mm.
• Weiter wird vorgeschlagen, dass das mindestens eine Verbindungselement eine Ausdehnung in Richtung der Achse hat, welche von der Erstreckung des Gehäuses und/oder der Länge der Metallfolien verschieden ist. Dabei ist bevorzugt, dass das mindestens eine Verbindungselement eine Ausdehnung in Richtung der Achse hat, welche kleiner als die Erstreckung des Gehäuses und/oder die Länge der Metallfolien ist. Bevorzugt ist dabei der Anbindungsbereich bzw. der Verbindungsabschnitt des Verbindungselementes an bzw. nahe der gegenüberliegenden Stirnseiten des Wabenkörpers angeordnet. Eine relativ kleine bzw. schmal ausgeführte Ausgestaltung der Verbindungselemente hat zur Folge, dass einerseits die Herstellungskosten eines solchen Wabenkörpers reduziert werden, andererseits aber auch nur eine räumlich begrenzte Wärmeleitung der Metallfolien hin zum Gehäuse stattfindet. Dies hat auch eine verbesserte bzw. beschleunigte Erwärmung der Metallfolien gerade nach dem Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine zur Folge.
• Zudem wird weiter vorgeschlagen, dass das mindestens eine Verbindungselement eine Dicke von 0,1 mm bis 1 mm hat, insbesondere von 0,3 mm bis 0,7 mm. Eine solche Ausgestaltung des Verbindungselementes genügt den thermischen und den dynamischen Anforderungen gerade im Abgassystem mobiler Verbrennungskraftmaschinen, wobei die Verbindungselemente bevorzugt auch aus metallischem Material sind.
• Weitere Vorteile und besonders bevorzugte Ausgestaltungen werden mit Bezug auf die Figuren näher beschrieben. Dabei wird jedoch angemerkt, dass die dargestellten Ausführungsbeispiele lediglich besonders bevorzugte Varianten darstellen, auf die die Erfindung nicht begrenzt ist.
• Es zeigen:
• Fig. 1 eine Explosionsdarstellung einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Wabenkörpers,
• Fig. 2 eine Explosionsdarstellung einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Wabenkörpers,
• Fig. 3 eine Detailansicht eines Verbindungselementes zwischen Metallfolien und Gehäuse,
• Fig. 4 einen Querschnitt einer weiteren Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Wabenkörpers,
• Fig. 5 eine Detailansicht eines Wabenkörpers, und
• Fig. 6 ein Ausgestaltung eines Verbindungselementes.
• Fig. 1 zeigt in einer Explosionsdarstellung einen Wabenkörper 1, umfassend ein Gehäuse 2, zwei Verbindungselemente 7 und einen Stapel Metallfolien 3, der S-förmig gebogen ist. Die Metallfolien 3 sind zumindest teilweise so strukturiert, dass Kanäle 4 gebildet werden, welche im wesentlichen parallel zu einer Achse 11 des Wabenkörpers 1 verlaufen. Die Kanäle 4 sind somit geradlinig von einer Stirnseite 15 bis zur gegenüberliegenden 15 ausgeführt und weisen demnach eine Kanallänge auf, die in etwa der Länge 17 der Metallfolien 3 entspricht. Die Metallfolien 3 weisen Enden 15 auf, die in der dargestellten Ausgestaltung des Stapels oben und unten eine flache Seite bilden.
• Das Gehäuse 2 hat eine Erstreckung 16 in Richtung der Achse 11 und weist einen ovalen Querschnitt auf. Dieser ovale Querschnitt ist gekennzeichnet durch zwei flache Querschnittsbereiche 5.1, 5.3, welche sich im wesentlichen parallel gegenüberstehen. Zwischen diesen flachen Querschnittsbereichen 5.1, 5.3 (Krümmungsradius 6.1, 6.3 ist hier unendlich groß) ist jeweils ein Querschnittsbereich 5.2, 5.4 angeordnet, der einen im Vergleich zu den flachen Querschnittsbereichen 5.1, 5.3 kleineren Krümmungsradius 6.2, 6.4 aufweist. Das Gehäuse 2 ist bevorzugt aus einem metallischen Material und weist insbesondere eine Wandstärke von 0,6 bis 1,5 mm (insbesondere von 0,8 bis 1,2 mm) auf.
• Zwischen dem zentrisch angeordneten Stapel Metallfolien 3 und dem den Stapel umfassenden Gehäuse 2 sind die zwei Verbindungselemente 7 angeordnet. Eine Fixierung der Verbindungselemente 7 erfolgt dabei in den flachen Querschnittsbereichen 5.1 und 5.3. Dies hat zur Folge, dass der Stapel Metallfolien 3 in den Querschnittsbereichen 5.1 und 5.3 über die Verbindungselemente 7 mit dem Gehäuse 2 verbunden ist, während die Metallfolien 3 in den Querschnittsbereichen 5.2 und 5.4 mit den kleinen Krümmungsradien 6.2 und 6.4 ("Ecken") direkt am Gehäuse 2 anliegen und/oder mit diesen Querschnittsbereichen 5.2 und 5.4 fügetechnisch verbunden sind.
• In der dargestellten Ausführungsform entsprechen sich im wesentlichen die Länge 17 der Metallfolien 3, die Ausdehnung 18 der Verbindungselemente 7 und die Erstreckung 16 des Gehäuses 2, so dass diese Komponenten eine nahezu bündige Stirnseite 26 auf beiden Seiten des Wabenkörpers 1 bilden.
• Ein solcher Wabenkörper 1 dient insbesondere als Katalysator-Trägerkörper zur Umwandlung von in dem Abgas einer Verbrennungskraftmaschine enthaltenen Schadstoffen. Um hierfür eine ausreichend große spezifische Oberfläche bereitzustellen, ist es besonders vorteilhaft, den Wabenkörper 1 mit einer Kanaldichte (Anzahl von Kanälen 4 pro Einheitsquerschnittsfläche) von wenigstens 800 cpsi ("cells per square inch") auszuführen, bevorzugt sogar mit einer Kanaldichte von mindestens 1200 cpsi. Das Volumen (bezogen auf die äußere Gestalt mit den Kanälen 4) eines solchen Wabenkörpers 1 ist im wesentlichen von der produzierten Abgasmenge und somit auch dem Brennkammervolumen (im Allgemeinen zwischen 0,2 [bei Motorsägen, Motorräder] und 4 Liter [bei großen PKW]) der Verbrennungskraftmaschine abhängig. Bevorzugt weist der Wabenkörper 1 ein Volumen auf, welches im Bereich von 0,1 bis 1,2 des gesamten Brennkammervolumens der Verbrennungskraftmaschine entspricht. Für den Fall, dass ein solcher Wabenkörper 1 nahe der Verbrennungskraftmaschine angeordnet wird, insbesondere in einem Abstand kleiner 1,5 m vom Auslass der Brennkammern, kann ein solcher Wabenkörper 1 mit einem Volumen von 0,01 bis 0,2 des gesamten Brennkammervolumens ausgeführt werden.
• Fig. 2 zeigt eine weitere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Wabenkörpers 1, wobei dieser einen hexagonalen Querschnitt aufweist. Demnach weist das Gehäuse alternierend jeweils einen Querschnittsbereich 5,1, 5,3, etc. mit einem grossen Krümmungsradius und Querschnittsbereiche 5.2, 5.4, etc. mit einem kleinen Krümmungsradius ("Ecke") auf. Zur Fixierung des Stapels Metallfolien 3 in dem Gehäuse 2 dienen hier vier Verbindungselemente 7, welche sich einerseits im wesentlichen über alle freien Enden 15 der Metallfolien 3 erstrecken und andererseits in den flachen Querschnittsbereichen 5.1, 5.3, etc. angeordnet sind.
• Die Verbindungselemente 7 weisen jeweils einen Anbindungsbereich 9 zur Ausbildung einer fügetechnischen Verbindung mit den Metallfolien 3 und einen Verbindungsabschnitt 10 zur Befestigung an dem Gehäuse 2 auf. Der Anbindungsbereich 9 und der Verbindungsbereich 10 sind dabei zueinander mit einem Abstand 12 in Richtung der Achse 11 (nicht dargestellt) versehen. Das Verbindungselement 7 in dem Bereich des Abstandes 12 wirkt dabei als Biegefeder zur Kompensation von Relativbewegungen der Metallfolien 3 gegenüber dem Gehäuse 2.
• Zur Gewährleistung eines vorbestimmten Biegeverhaltens der Verbindungselemente 7 ist eine scharfe Abgrenzung des Anbindungsbereiche 9 sowie des Verbindungsabschnittes 10 erforderlich, insbesondere falls die fügetechnische Verbindung der Verbindungselemente hin zu den Metallfolien 3 einerseits und dem Gehäuse 2 andererseits als Lotverbindung ausgeführt ist. Zur Sicherstellung einer solchen scharfen Abgrenzung des Anbindungsbereiches 9 bzw. des Verbindungsabschnittes 10 dienen hier Passivierungsschichten 23, welche einen Fluss von Lotmittel bei der thermischen Behandlung des Wabenkörpers 1 über die Abgrenzung hinaus verhindern. Eine solche Passivierungsschicht 23 umfasst beispielsweise eine keramische Beschichtung (insbesondere eine Aluminiumoxid- Beschichtung), welche beispielsweise mittels eines Flammspritzverfahrens aufgetragen werden kann. Alternativ oder in Kombination zu solch einer keramischen Passivierungsschicht 23 bieten sich auch Metalloxid-Beschichtungen an, welche beispielsweise durch mechanische, chemische oder thermische Behandlung der Verbindungselemente generiert werden können. Zur Gewährleistung eines Schrumpfens bzw. Expandierens des Wabenkörpers 1 in dessen Umfangsrichtung sind die Verbindungselemente 7 zusätzlich mit jeweils einem Dehnungsschlitz 13 versehen, welcher sich von der einen Kante des Verbindungselementes bis hin zu einem Absatz 24 erstreckt.
• Fig. 3 zeigt eine Detailansicht des Wabenkörpers 1 nahe einer Stirnseite 26 im Teilschnitt. Anhand dieser Darstellung lässt sich besonders gut die Wirkungsweise des Absatzes 24 veranschaulichen. Während das Verbindungselement 7 im Bereich des Verbindungsabschnittes 10 im wesentlichen direkt an dem Gehäuse 2 anliegt, bewirkt der Absatz 24, dass zwischen dem Verbindungselement 7 und dem Gehäuse 2 nahe der Stirnseite 26 und im Anbindungsbereich 9 ein Zwischenraum 25 gebildet ist. Dabei ist es besonders vorteilhaft, den Wabenkörper so im Abgassystem einer Verbrennungskraftmaschine auszurichten, dass die Stirnseite 26 mit dem Zwischenraum 25 hin zur Abgaseintrittsseite zeigt. Das auf die Stirnfläche 26 auftreffende, heiße Abgas bewirkt gerade in der Kaltstartphase eines solchen Verbrennungsmotors eine beachtliche thermische Expansion der Metallfolien 3 in diesem Bereich, welche weiter durch die schnell einsetzende katalytische Reaktion bei ca. 300°C noch verstärkt wird. Der Zwischenraum 25 bietet demnach die Möglichkeit der radialen Expansion des zentrisch angeordneten Stapels Metallfolien 3, wobei die Biegeeigenschaften der Verbindungselemente 7 besonders gut zur Geltung kommender. Ein "Bypass" von Abgas wird dabei vermieden, da der Absatz 24 sowie die daran anschließenden Bereiche der Verbindungselemente 7 ein Vorbeiströmen von Abgas verhindern. In der Kaltstartphase hat der Zwischenraum 25 zudem den Vorteil, dass eine Wärmeübertragung von dem Stapel Metallfolien 3 hin zum Gehäuse 2 unterbunden wird, da die im Zwischenraum 25 befindliche Luft bzw. das dort befindliche Abgas als thermischer Isolator wirkt.
• Fig. 4 zeigt einen Querschnitt durch eine alternative Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Wabenkörpers 1. Auch hier lassen sich wiederum abwechselnd flache Querschnittsbereiche 5.1, 5.3, 5.5 und 5.7 erkennen, welche hier als Flanken 8 ausgeführt sind. In diesen Querschnittsbereichen mit den größten Krümmungsradien 6.1, 6.3, 6.5 und 6.7 (unendlich groß) sind wiederum die Verbindungselemente 7 angeordnet. In den Querschnittsbereichen 5.2, 5.4, 5.6 und 5.8 mit den kleinen Krümmungsradien 6.2, 6.4, 6.6 und 6.8 ("Ecken") sind keine Verbindungselemente zwischen den Stapeln Metallfolien 3 und dem Gehäuse 2 angeordnet. Dort liegen die Metallfolien 3 direkt an der Innenwand des Gehäuses 2 an und sind bevorzugt mit dieser fügetechnisch verbunden, um einer dauerhaft Fixierung der Blechfolien 3 im Inneren des Gehäuses 2 auch unter hoher thermischer und dynamischer Belastung des Wabenkörpers 1 zu gewährleisten.
• Fig. 5 zeigt schematisch eine Detailansicht eines Kanals 4, welcher durch die teilweise strukturierten Metallfolien 3 gebildet wird. Hierbei wurden glatte und gewellte bzw. mit einer Struktur 14 versehene Metallfolien 3 abwechselnd gestapelt und anschließend so gewickelt bzw. gebogen, dass diese dem gewünschten Querschnitt des herzustellenden Wabenkörpers entsprechen. Der hier dargestellte Kanal 4 wurde mit einer Trägerschicht 21 versehen, welche üblicherweise Wash-coat ist. Diese Trägerschicht weist eine stark zerklüftete Oberfläche auf, so dass der zur Umsetzung von schädlichen Bestandteilen im Abgas förderliche Kontaktbereich zwischen dem Wabenkörper und dem Abgas weiter vergrößert werden kann. Die Trägerschicht 21 ist mit einem Katalysator 22 imprägniert, welcher im wesentlichen Edelmetalle, wie Platin oder dergleichen, umfasst. Um zu verhindern, dass der Wabenkörper selbst eine hohe Wärmekapazität hat und somit das Anspringverhalten eines solchen Wabenkörpers gerade nach dem Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine behindert, sind die Metallfolien vorzugsweise mit einer Folienstärke kleiner 0,03 mm, insbesondere kleiner 0,025 mm ausgeführt.
• Fig. 6 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform des Verbindungselementes 7. Das dargestellte Verbindungselement 7 weist auf seiner Außenseite 28 zwei Verbindungsabschnitte 10 auf, welche zur Anbindung des Verbindungselementes 7 an das Gehäuse 2 dienen. Zwischen den beiden Verbindungsabschnitten 10 ist ein Dehnungsschlitz 13 vorgesehen, der auch eine Relativbewegung des Gehäuses 2 (nicht dargestellt) gegenüber den Metallfolien 3 (nicht dargestellt) oder dem Verbindungselement 7 in Umfangsrichtung des Wabenkörpers 1 (nicht dargestellt) zulässt. Der am Gehäuse anliegende Teil des Verbindungselementes 7 wird durch einen Absatz 24 begrenzt. Zwischen dem Absatz 24 und der dargestellte Kante 29 ist auf der Innenseite des Verbindungselementes 7 der Anbindungsbereich 9 zur Fixierung der Metallfolien vorgesehen. In der dargestellten Ausführungsform wirkt der Absatz 24 gleichzeitig als Biegefeder und Passivierungsmittel, da ein Ausfließen von Lotmittel verhindert wird. Die Verbindungsabschnitte 10 können zudem deutlich kleiner ausgeführt sein, gerade wenn die Verbindung des Verbindungselementes 7 mit dem Gehäuse 2 als Punktschweißung ausgeführt ist. Das Verbindungselement 7 weist zudem eine Dicke 19 auf, welche bevorzugt im Bereich von 0,3 bis 1,2 mm, insbesondere 0,5 bis 1 mm beträgt.
• Die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere auf die Fixierung von Stapeln Metallfolien 3 in einem Gehäuse 2, welches einen nicht-zylindrischen Aufbau hat. Gerade bei dieser Ausgestaltung des Gehäuses 2 bzw. des Wabenkörpers 1 muss eine definierte Anbindung der Metallfolien 3 hin zum Gehäuse 2 erfolgen, da sonst aufgrund des unterschiedlichen thermischen Ausdehnungsverhaltens des Gehäuses 2 selbst bzw. des Stapels Metallfolien 3 selbst eine definierte, langlebige Anbindung nicht sichergestellt werden kann. Diese Gefahr wird durch den erfindungsgemäßen Wabenkörper 1 vermieden, wobei gleichzeitig eine preiswerte Herstellung gerade auch im Rahmen der Serienfertigung sichergestellt ist. Bezugszeichenliste 1 Wabenkörper
  2 Gehäuse
  3 Metallfolie
  4 Kanal
  5.1-5.8 Querschnittsbereich
  6.1-6.8 Krümmungsradius
  7 Verbindungselement
  8 Flanke
  9 Anbindungsbereich
  10 Verbindungsabschnitt
  11 Achse
  12 Abstand
  13 Dehnungsschlitz
  14 Struktur
  15 Ende
  16 Erstreckung
  17 Länge
  18 Ausdehnung
  19 Dicke
  20 Folienstärke
  21 Trägerschicht
  22 Katalysator
  23 Passivierungsschicht
  24 Absatz
  25 Zwischenraum
  26 Stirnseite
  27 Innenseite
  28 Außenseite
  29 Kante
  

Claims (12)

1. Wabenkörper (1) umfassend ein Gehäuse (2) und darin angeordnete Metallfolien (3), welche zumindest teilweise so strukturiert und/oder angeordnet sind, dass für ein Fluid durchströmbare Kanäle (4) gebildet sind, wobei das Gehäuse (2) Querschnittsbereiche (5.1, 5.2, 5.3, 5.4, 5.5, 5.6, 5.7, 5.8) mit unterschiedlichen Krümmungsradien (6.1, 6.2, 6.3, 6.4, 6.5, 6.6, 6.7, 6.8) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Metallfolien (3) und dem Gehäuse (2) in mindestens einem, vorzugsweise jedem, Querschnittsbereich (5.1, 5.3, 5.5, 5.7) mit einem großen Krümmungsradius (6.1, 6.3, 6.5, 6.7) mindestens ein Verbindungselement (7) angeordnet ist, und die Metallfolien (3) in mindestens einem Querschnittsbereich (5.2, 5.4, 5.6, 5.8) mit kleinem Krümmungsradius (6.2, 6.4, 6.6, 6.8) direkt mit dem Gehäuse (2) verbunden sind.

2. Wabenkörper (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils mindestens ein Verbindungselement (7) in allen Querschnittsbereichen (5.1, 5.3, 5.5, 5.7) des Gehäuses (2) mit dem größten Krümmungsradius (6.1, 6.3, 6.5, 6.7) angeordnet ist.

3. Wabenkörper (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das der Querschnittsbereich (5.1, 5.3, 5.5, 5.7) mit dem großen bzw. größten Krümmungsradius (6.1, 6.3, 6.5, 6.7) eine Flanke (8) ist.

4. Wabenkörper (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Verbindungselement (7) wenigstens einen Anbindungsbereich (9) und zumindest einen Verbindungsabschnitt (10) aufweist, wobei in dem wenigstens einen Anbindungsbereich (9) eine fügetechnische Verbindung mit den Metallfolien (3) und in dem zumindest einen Verbindungsabschnitt (10) eine fügetechnische Verbindung mit dem Gehäuse (2) ausgeführt ist und der wenigstens eine Anbindungsbereich (9) und der zumindest eine Verbindungsabschnitt (10) bevorzugt in Richtung einer Achse (11) des Wabenkörpers (1) voneinander beabstandet sind.

5. Wabenkörper (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das die fügetechnischen Verbindungen eine Lotverbindung und/oder eine Schweißverbindung umfassen.

6. Wabenkörper(1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Verbindungselement (7) wenigstens einen Dehnungsschlitz (13) ausweist, welcher bevorzugt außerhalb eines Anbindungsbereiches (9) des Verbindungselementes (7) mit den Metallfolien (3) angeordnet ist.

7. Wabenkörper(1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anbindungsbereich (9) des mindestens einen Verbindungselementes (7) von mindestens einem Passivierungsmittel (23, 24) begrenzt ist.

8. Wabenkörper(1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallfolien (3) jeweils zumindest mit einem ihrer Enden (15) hin zum Gehäuse (2) ausgerichtet sind, wobei alle diese Enden (15) mit dem mindestens einen Verbindungselement (7) fügetechnisch verbunden sind.

9. Wabenkörper(1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) einen ovalen oder einen polygonalen Querschnitt hat.

10. Wabenkörper (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) eine Erstreckung (16) und die Metallfolien (3) eine Länge (17) in Richtung einer Achse (11) des Wabenkörpers (1) haben, wobei die Erstreckung (16) und die Länge (17) betragsmäßig voneinander verschieden ausgeführt sind.

11. Wabenkörper (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Verbindungselement (7) eine Ausdehnung (18) in Richtung der Achse (11) hat, welche von der Erstreckung (16) des Gehäuses (2) und/oder der Länge (17) der Metallfolien (3) verschieden ist.

12. Wabenkörper (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Verbindungselement (7) eine Dicke (19) von 0,1 mm bis 1 mm hat, insbesondere von 0,3 mm bis 0,7 mm.