DE10239205A1

DE10239205A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Wabenkörpern und Wabenkörper

Info

Publication number: DE10239205A1
Application number: DE10239205A
Authority: DE
Inventors: Rolf BRÜCK; Arndt-Udo Rolle
Original assignee: Emitec Gesellschaft fuer Emissionstechnologie mbH
Current assignee: Vitesco Technologies Lohmar Verwaltungs GmbH
Priority date: 2002-08-21
Filing date: 2002-08-21
Publication date: 2004-03-04
Also published as: CN1327965C; CN1674991A; AU2003264082A1; WO2004018098A1; JP4659456B2; US20050191220A1; JP2005535460A; DE10393014D2; US7318276B2

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Wabenkörpers, insbesondere eines Katalysator-Trägerkörpers, mit zumindest teilweise für ein Fluid durchströmbaren Hohlräumen, umfassend die folgenden Schritte: DOLLAR A a) Ausbilden einer metallischen Wabenstruktur 6 und DOLLAR A b) in Kontakt bringen zumindest einer Stirnseite 22 der Wabenstruktur 6 mit einem flüssigen Zusatzstoff 5, enthaltend Aluminium oder eine Aluminiumlegierung. DOLLAR A Durch das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines Wabenkörpers ist es in vorteilhafter Weise durch in Kontakt bringen zumindest einer Stirnseite einer Wabenstruktur 6 des Wabenkörpers mit einem flüssigen Zusatzstoff 5, enthaltend Aluminium oder eine Aluminiumlegierung, möglich, eine innige und dauerhafte Verbindung von Blechlagen in Verbindungsbereichen zu bewirken.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines metallischen Wabenkörpers, insbesondere eines Wabenkörper für eine Abgasanlage eines Verbrennungsmotors. Solche Wabenkörper werden als Träger für katalytisch aktives Material und/oder für Adsorbermaterial und ähnliche Anwendungen eingesetzt.
Man unterscheidet vor allem zwei typische Bauformen für metallische Wabenkörper. Eine frühe Bauform, für die die DE 29 02 779 A1 typische Beispiele zeigt, ist die spiralige Bauform, bei der im wesentlichen eine glatte und eine gewellte Blechlage aufeinandergelegt und spiralförmig aufgewickelt werden. Bei einer anderen Bauform wird der Wabenkörper aus einer Vielzahl von abwechselnd angeordneten glatten und gewellten oder unterschiedlich gewellten Blechlagen aufgebaut, wobei die Blechlagen zunächst einen oder mehrere Stapel bilden, die miteinander verschlungen werden. Dabei kommen die Enden aller Blechlagen außen zu liegen und können mit einem Gehäuse oder Mantelrohr verbunden werden, wodurch zahlreiche Verbindungen entstehen, die die Haltbarkeit des Wabenkörpers erhöhen. Typische Beispiele dieser Bauformen sind in der EP 0 245 737 B1 oder der WO 90/03220 beschrieben. Schließlich gibt es auch Wabenkörper in konischer Bauform, gegebenenfalls auch mit weiteren zusätzlichen Strukturen zur Strömungsbeeinflussung. Ein solcher Wabenkörper ist beispielsweise in der WO 97/49905 beschrieben.
Bei der Herstellung von Katalysator-Trägerkörpern insbesondere zum Einsatz bei der Behandlung von Abgasen von Verbrennungsmotoren, insbesondere von Kraftfahrzeugen, ist es aufgrund der zu erreichenden Halt- und Belastbarkeit nötig, eine möglichst gute Verbindung der unterschiedlichen Blechlagen zueinander und zum Mantekohr zu erzielen. Hier und im folgenden sind als Blechlagen einerseits metallische Blechlagen zu verstehen, andererseits aber auch Lagen aus einem zumindest teilweise für ein Fluid durchströmbaren Material. Solche zumindest teilweise für ein F1uid durchströmbare Materialien werden zum Aufbau von offenen Partikelfiltern verwendet.
Oftmals wird zur Verbindung zweier Blechlagen eine Löttechnik eingesetzt, bei der die Blechlagen bevorzugt durch ein Hartlötverfahren verbunden werden. Zur Aufbringung des Lotes sind verschiedene Techniken bekannt, bei denen bevorzugt Lotpulver oder Lotstreifen, aber auch Lotpaste zum Einsatz kommen. Verfahren zum Aufbringen eines Haftmittels und Beloten einer metallischen Anordnung enthaltend einen Wabenkörper sind beispielsweise aus der WO 89/11938, der WO 94/06594, der WO 93/25339, der DE 29 24 592 A1 und der DE 198 23 000 A1 bekannt.
Alternativ ist beispielsweise aus der EP 0 159 468 B1 bekannt, zur Verbindung der Blechlagen untereinander einen im wesentlichen aus Aluminium bestehenden Zusatzstoff in Pulverform unter Verwendung von Binder, Kleber oder ähnlichem aufzutragen, wobei es hier zu einer Verbindung zwischen den Blechlagen durch Ausbilden einer Legierung in den Verbindungsbereichen der Blechlagen kommt.
Jedoch erweist sich der Bearbeitungsschritt des Auftragens eines Haftmittels und daran anschließend das Aufbringen des pulverförmigen Zusatzstoffes oder Lotes regelmäßig als relativ kompliziert, vor allem in der Handhabung, zudem weisen gerade Lötverbindungen in Bezug auf die Haltbarkeit Nachteile auf, so dass es hiervon ausgehend Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Wabenkörpern vorzuschlagen, die eine Verbindung der Blechlagen mit guter Haltbarkeit bei einfacher Verfahrensführung ermöglicht und einen solchermaßen hergestellten Wabenkörper vorzuschlagen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 14, sowie einen Wabenkörper mit den Merkmalen des Anspruchs 21. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Ansprüche.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Wabenkörpers, insbesondere eines Katalysator-Trägerkörpers, mit zumindest teilweise für ein Fluid durchströmbaren Hohlräumen, umfasst die folgenden Schritte:

a) Ausbilden einer metallischen Wabenstruktur und
b) in Kontakt bringen zumindest einer Stirnseite der Wabenstruktur mit einem flüssigen Zusatzstoff, enthaltend Aluminium oder eine Aluminiumlegierung.

Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet es in vorteilhafter Weise durch das in Kontakt bringen zumindest einer Stirnseite den flüssigen Zusatzstoff zur Verbindung der Blechlagen untereinander zu nutzen. Durch das in Kontakt bringen mit dem flüssigen Zusatzstoff kommt es aufgrund der Kapillarwirkung zu einem Eindringen des flüssigen Zusatzstoffes in die Hohlräume der Wabenstruktur, wobei der Zusatzstoff die Wände der Hohkäume der Wabenstruktur benetzt. Die Wände der Hohlräume einer metallischen Wabenstruktur sind bevorzugt aus Stahl ausgebildet. Je nach Temperatur der Wabenstruktur und des flüssigen Zusatzstoffes kommt es zu einem Hineindiffundieren des im Zusatzstoff enthaltenen Aluminiums in den Stahl der Wände der Wabenstruktur. Dadurch entsteht eine Aluminium-Stahl-Legierung mit einem lokal erhöhten Aluminiumanteil. Der Schmelzpunkt einer solchen Legierung sinkt mit steigendem Aluminiumanteil. Sind die Wände der Wabenstruktur durch Blechlagen ausgebildet, kommt es so zu einer Verbindung zwischen benachbarten Blechlagen. Durch die fortschreitende Diffusion des Aluminiums sinkt der lokale Aluminiumgehalt wieder, der Schmelzpunkt steigt und es kommt zu einer Aushärtung der Verbindung.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird die Wabenstruktur dwch Wickeln zumindest einer Blechlage, von denen zumindest eine teilweise strukturiert ist, ausgebildet. Auf eine solche Art und Weise kann beispielsweise eine spiralförmige Wabenstruktur erstellt werden. Diese kann durch Wickeln einer einzigen strukturierten Blechlage ausgebildet werden, jedoch kann genauso gut eine strukturierte mit einer im wesentlichen glatten Blechlage erfolgen. Die Ausbildung einer spiralförmigen Wabenstruktur durch Wickeln einer zumindest teilweise strukturierten Blechlage ist gleichfalls möglich und erfindungsgemäß. Die Strukturierung, bevorzugt eine Wellung, einzelner oder eines Teils der Blechlagen ermöglicht in einfacher Art und Weise die Ausbildung von für ein Fluid, beispielsweise ein Abgas einer Verbrennungskraftmaschine, zumindest teilweise durchströmbaren Hohlräumen.
Beim Eindringen des Zusatzstoffes in eine Blechlage kommt es dort lokal zur Ausbildung einer erhöhten Aluminiumkonzentration, die dann, wenn ein Berührungsbereich zweier Blechlagen oder einer Blechlage mit sich selbst vorliegt, zu einer Verbindung dieser beiden Bereiche führt. Dies liegt daran, dass Stahl-Aluminiumlegierungen einen sinkenden Schmelzpunkt mit steigendem Aluminiumgehalt aufweisen. Somit ist es möglich, bei einer Temperatur zu arbeiten, die unterhalb des Schmelzpunktes des Grundwerkstoffes, aus dem die Kanalwände ausgebildet sind, aber oberhalb des Schmelzpunktes der Legierung mit lokal angereichertem Aluminiumgehalt liegt. Somit kommt es zu einem Aufschmelzen der Legierung mit lokal erhöhtem Aluminiumgehalt, die in dem Fall, dass ein Berührungsbereich zwischen zwei Blechbereichen vorliegt, zu einem Verschmelzen der Blechlagen führen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird die Wabenstruktur durch Stapeln einer Mehrzahl von Blechlagen, die teilweise strukturiert und teilweise im wesentlichen glatt sind und Verschlingen eines oder mehrerer Stapel ausgebildet. Auch in diesem Fall kommt es in vorteilhafter Weise zur Ausbildung von Verbindungen zwischen zwei Blechlagen durch Bildung einer Legierung mit lokal angereichertem Aluminiumgehalt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens besteht wenigstens ein Teil der Blechlagen zumindest teilweise aus zumindest teilweise für ein Fluid durchströmbarem Material. Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise die Ausbildung von Wabenstruktur, die als sogenannte offene Partikelfilter wirken.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird vor oder nach Verfahrensschritt b) die Wabenstruktur in ein Mantelrohr eingebracht. Hierbei kann auch die Verbindung zwischen Mantelrohr und Wabenstruktur analog unter Ausnutzung der Diffusion des im flüssigen Zusatzstoff enthaltenen Aluminiums in Mantekohr und Wabenstruktur erfolgen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt nach Verfahrensschritt b) die Ausbildung einer thermischen Fügeverbindung, bevorzugt einer Löt- oder Schweißverbindung, besonders bevorzugt eine Induktionslötverbindung, zur Verbindung von Wabenstruktur und Mantelrohr. Die Ausbildung einer thermischen Fügeverbindung zwischen Mantelrohr und Wabenstruktur ermöglicht die Ausbildung eine dauerhaften Verbindung zwischen Mantelrohr und Wabenstruktur.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt vor Verfahrensschritt b, bevorzugt zeitnah vor dem Verfahrensschritt b), die Ausbildung einer thermischen Fügeverbindung, bevorzugt einer Löt- oder Schweißverbindung, besonders bevorzugt eine Induktionslötverbindung, zur Verbindung von Wabenstruktur und Mantelrohr. Da beim Ausbilden einer thermischen Fügeverbindung Mantelrohr und/oder Wabenstruktur erhitzt werden, kann die in die Wabenstruktur und/oder das Mantelrohr eingebrachte Wärme in vorteilhafter Weise zur Beeinflussung des Fließverhaltens des flüssigen Zusatzstoffes innerhalb der Wabenstruktur benutzt werden. Insbesondere die zeitnah vor dem Verfahrensschritt b, also dem in Kontakt bringen der Wabenstruktur mit einem flüssigen Zusatzstoff, erlaubt in vorteilhafter Weise die Ausnutzung der durch das Ausbilden der thermischen Fügeverbindung eingebrachten Wärme. Dies ist unter dem Gesichtspunkt einer möglichst effizienten Energieausnutzung von Vorteil.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens werden die Wabenstruktur und/oder das Mantelrohr vor Verfahrensschritt b) auf eine vorgegebene Temperatur aufgeheizt, die im wesentlichen der des flüssigen Zusatzstoffes entspricht. Alternativ ist es auch möglich, die Wabenstruktur und/oder das Mantelrohr vor Verfahrensschritt b auf eine vorgegebene Temperatur oberhalb oder unterhalb der Temperatur des flüssigen Zusatzstoffes aufzuheizen.
Die Aufheizung der Wabenstruktur und/oder des Mantelrohrs erlaubt es in vorteilhafter Weise die Verfahrensführung zu beeinflussen. Insbesondere ist es durch Vorgabe einerseits der Temperatur des flüssigen Zusatzstoffes und andererseits der Temperatur der Wabenstruktur und/oder des Mantelrohrs möglich, die Eindringtiefe des flüssigen Zusatzstoffes in die Wabenstruktur und andererseits die Diffusionslänge in die Kanalwände und damit die Eigenschaften der sich bildenden Verbindungen zu kontrollieren. Hierbei ist es besonders vorteilhaft, die Eindringtiefe und die Diffusionslänge an die späteren Anforderungen an den Wabenkörper anzupassen. Eine weitere Möglichkeit, die Verfahrensführung zu beeinflussen besteht in der Zusammensetzung des Zusatzstoffes. So kann dieser bei spielweise Bestandteile enthalten, die Parameter wie Oberflächenspannung und/oder Viskosität des Zusatzstoffes beeinflussen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens weist der flüssige Zusatzstoff eine vorgegebene Temperatur auf, die im wesentlichen der Schmelztemperatur des Zusatzstoffes entspricht. Dies ist besonders vorteilhaft, da so der Energiebedarf, der zum Aufrechterhalten der Betriebstemperatur des Zusatzstoffes nötig ist, am klein gehalten werden kann.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird zumindest das in Kontakt bringen der Wabenstruktur und ggf. des Mantelrohres mit dem flüssigen Zusatzstoff unter Vakuum oder Schutzgas, bevorzugt unter Schutzgas, durchgeführt. Durch Arbeiten im Vakuum oder im Schutzgas wird eine Reaktion zumindest des Aluminiums im flüssigen Zusatzstoff mit dem Luftsauerstoff vermieden, der zur Verklumpung des Zusatzstoffes führen würde. Beim Arbeiten unter Schutzgasatmosphäre ist es einerseits möglich, in einer abgeschlossenen Kammer zu arbeiten, die eine Art Schleuse für den Zugang der Bauteile, also beispielsweise von Wabenstrukturen und Mantelrohren aufweist, die es ermöglicht, im wesentlichen ohne das es zum Eindringen von Luft in die Kammer kommt, zu verfahren. Andererseits ist es auch möglich, die Schleusen einfacher zu gestalten und die Kammer unter einem leichten Überdruck von Schutzgas zu halten, um so das Eindringen von Luft zu verhindern.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens enthält der flüssige Zusatzstoff imi wesentlichen aus Aluminium. So ist es möglich, den Zusatzstoff in einfacher Art und Weise bereit zu stellen. Die Kontrolle der Verfahrensführung kann dann über die Kontrolle der Temperatur der Wabenstruktur und/oder des Mantekohres, sowie über die Kontrolle der Temperatur des Zusatzstoffes erfolgen.
Gemäß einem weiteren Aspekt des erfinderischen Gedankens wird eine Vorrichtung zur Herstellung eines Wabenkörpers vorgeschlagen, mit einem Reservoir zur Aufnahme eines flüssigen Zusatzstoffes, zumindest einer in thermischem Kontakt zum Reservoir stehenden ersten Heizvorrichtung und einer Handhabungsreinrichtung, wobei die Handhabungseinrichtung a) Greifmittel zum Greifen und b) Bewegungsmittel zum Bewegen der Greifmittel zumindest oberhalb einer Öffnung des Reservoirs, vorzugsweise in das Reservoir, aufweist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt in vorteilhafter Weise das Verbinden von die metallische Wabenstruktur bildenden Blechlagen miteinander und gegebenenfalls mit einem Mantelrohr. Der Aufbau der Vorrichtung mit einer Handhabungsreinrichtung, die Greifmittel und Bewegungsmittel aufweist, ermöglicht auf einfache Art und Weise die Handhabung der Wabenstruktur. Diese wird mit den Greifmitteln ergriffen, daran anschließend bewegen die Bewegungsmittel die Greifmittel samt Wabenstruktur. Die Bewegungsmittel sind so ausgelegt, dass diese die Greifmittel und damit auch die Wabenstruktur zumindest oberhalb der Öffnung des Reservoirs, vorzugsweise auch in das Reservoir bewegen können. Somit kann durch Bewegen der Handhabungseinrichtung ein in Kontakt bringen zumindest einer Stirnseite der Wabenstruktur mit dem flüssigen Zusatzstoff erfolgen.
Die erste Heizeinrichtung kann beispielsweise als eine elektrische Heizeinrichtung, die in das Reservoir integriert ist, ausgebildet sein, jedoch ist auch jede andere Heizeinrichtung möglich und erfindungsgemäß, beispielsweise unter Verwendung eines Brenners oder durch die Verwendung von Abwärme aus anderen Prozessen. Die erste Heizeinrichtung bewirkt, dass der flüssige Zusatzstoff beständig im flüssigen Aggregatzustand verbleibt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung weist das Mittel zum Ausbilden einer Wabenstruktur Mittel zum Stapeln und Verschlingen oder zum Wickeln von einer oder mehreren, zumindest teilweise strukturierten Blechlagen auf. So kann beispielsweise eine spiralförmige Wabenstruktur erstellt werden. Diese kann durch Wickeln einer einzigen strukturierten Blechlage ausgebildet werden, jedoch kann genauso gut ein Aufwickeln einer strukturierten mit einer im wesentlichen glatten Blechlage erfolgen. Die Ausbildung einer spiralförmigen Wabenstruktur durch Wickeln einer zumindest teilweise strukturierten Blechlage ist gleichfalls möglich und erfindungsgemäß. Weiterhin ist es erfindungsgemäß möglich, einen oder mehrere Stapel von Blechlagen herzustellen und diese zu verschlingen bzw. zu wickeln und so eine Wabenstruktur herzustellen. Hierbei ist es besonders vorteilhaft, abwechselnd im wesentlichen glatte und strukturierte Blechlagen zu stapeln. Die Strukturierung, bevorzugt eine Wellung, einzelner oder von Teilen von Blechlagen ermöglicht in einfacher Art und Weise die Ausbildung von für ein Fluid, beispielsweise ein Abgas einer Verbrennungskraftmaschine, zumindest teilweise durchströmbaren Hohlräumen. Es ist ferner möglich, die Blechlagen zumindest teilweise mit Löchern zu versehen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Vorrichtung zumindest eine zweite Heizvorrichtung ausgebildet ist, die zur Aufheizung der Wabenstruktur vor in Kontakt bringen mit dem flüssigen Zusatzstoff dient. Das Aufheizen der Wabenstruktur verhindert in vorteilhafter Weise ein zu schnelles Ausfrieren des Zusatzstoffes beim Benetzen der Wände der Hohlräume der Wabenstruktur. Die zweite Heizeinrichtung kann als elektrische Heizeinrichtung ausgebildet sein, jedoch ist es genauso gut möglich, einen Brenner oder auch die Abwärme aus anderen Prozessen einzusetzen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung sind Mittel zum Einbringen der Wabenstruktur in ein Mantelrohr vorgesehen. Durch diese Mittel kann beispielsweise die Wabenstruktur in das Mantelrohr geschoben werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung ist zumindest eine Induktionslöteinrichtung vorgesehen. Diese Induktionslöteinrichtung kann besonders vorteilhaft zum Ausbilden einer Verbindung zwischen Wabenstruktur und Mantelrohr verwendet werden. Die durch die Induktionslötung entstehende Wärme heizt die Wabenstruktur und das Mantelrohr auf, so dass bereits in vorteilhafter Weise eine Erwärmung der Wabenstruktur und des Mantelrohres stattfindet. Vorteilhafterweise ist es möglich, die Induktionslöteinrichtung frei beweglich zu gestalten. Weiterhin ist es aber auch möglich, die Induktionslöteinrichtung in die Reservoirwand zu integrieren oder mit dem Reservoir zu verbinden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung sind Regel- und/oder Steuermittel vorgesehen, die über Signalleitungen mit der ersten und/oder der zweiten Heizvorrichtung verbunden sind. Durch diese Regel und/oder Steuermittel wird die Temperatur des flüssigen Zusatzstoffes und/oder des Reservoirs und/oder der Wabenstruktur und/oder des Mantelrohrs geregelt. Dies erlaubt in vorteilhafter Weise, die zu regelnden Temperaturen konstant in einem vorbestimmten Bereich zu halten. Hierbei ist es auch möglich, eine Rückkopplung zur Wabenstruktur und/oder zum Mantekohr und/oder zum flüssigen Zusatzstoff vorzusehen. Dies kann durch Ausbildung entsprechender Temperatursensoren, beispielsweise unter Verwendung einer berührungslosen Temperaturmesstechnik, und Verbinden mit der Regel- und/oder Steuereinheit erfolgen. Die Regel- und/oder Steuereinheit kann elektronisch ausgebildet sein, jedoch sind auch andere Regel- und/oder Steuerkreise möglich.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung ist zumindest das Reservoir in einer Kammer, bevorzugt einer Vakuumkammer oder Schutzgas kammer, angeordnet. Wird die Oberfläche des flüssigen Zusatzstoffes im Reservoir unter Schutzgas oder Vakuum gehalten, wird in vorteilhafter Weise ein Verklumpen des Zusatzstoffes aufgrund von Oxidation mit dem Luftsauerstoff vermieden.
Alle weiteren oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erwähnten Vorteile lassen sich entsprechend auf die erfindungsgemäße Vorrichtung übertragen und umgekehrt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der erfinderischen Idee wird ein Wabenkörper vorgeschlagen, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren oder unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung hergestellt wurde.
Ausführungsbeispiele und Einzelheiten der Erfindung, auf die diese jedoch nicht beschränkt ist, werden im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert, und zwar zeigen:
1 schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung von Wabenkörpern;
2 einen Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Wabenkörper; und
3 schematisch einen Verbindungsbereich eines erfindungsgemäßen Wabenkörpers.
1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur Herstellung von Wabenkörpern. Die Vorrichtung 1 umfasst eine Kammer 2, die evakuierbar oder mit Schutzgas, also inerten Gasen, füllbar ist. Die Kammer 2 ist mit – nicht eingezeichneten – Schleusen versehen, die einen Zugang zur Kammer 2 mit relativ geringem Verlust an Vakuum/Schutzgas ermöglichen. In der Kammer 2 ist ein Reservoir 3 ausgebildet, das in thermischem Kontakt mit einer ersten Heizvorrichtung 4 steht. Das Reservoir 3 weist eine Öffnung 23 auf. Durch diese erste Heizvorrichtung 4 wird ein flüssiger Zusatzstoff 5, der sich im Reservoir 4 befindet, temperiert. Der flüssige Zusatzstoff 5 enthält Aluminium oder auch eine Aluminiumlegierung. Vorteilhaft ist es, wenn der flüssige Zusatzstoff 5 im wesentlichen Aluminium enthält, jedoch ist es genauso möglich, den flüssigen Zusatzstoff 5 mit weiteren Komponenten zu versehen, die physikalische Eigenschaften des flüssigen Zusatzstoffes 5 verändern, beispielsweise die Viskosität oder auch die Oberflächenspannung.
Die Vorrichtung 1 weist ferner einen ersten Handhabungseinrichtung 7 mit Greifmitteln 24 und Bewegungsmitteln 25 auf. Die Greifmittel 24 greifen eine metallischen Wabenstruktur 6, Greifmittel 24 und somit auch die Wabenstruktur 6 werden durch die Bewegungsmittel 25 bewegt.
Diese Wabenstruktur 6 wird in den nur schematisch eingezeigten Mitteln 8 zur Ausbildung einer Wabenstruktur ausgebildet. Hierbei werden Blechlagen, gegebenenfalls im wesentlichen glatte und strukturierte Blechlagen, durch Stapeln und Verschlingen oder auch durch Wickeln zu einer Wabenstruktur 6 geformt. Weiterhin können die Mittel 8 zur Ausbildung einer Wabenstruktur sowohl Mittel zum Einbringen der Wabenstruktur 6 in ein Mantelrohr, als auch eine zweite Heizvorrichtung beinhalten, die die Wabenstruktur 6 und/oder das Mantelrohr auf eine vorbestimmte Temperatur aufheizt. Diese zweite Heizvorrichtung ist über eine erste Signalleitung 9 mit einem Steuermittel 10 verbunden, das die Temperatur der zweiten Heizeinrichtung bzw. der Wabenstruktur 6 auf einen vorbestimmten Wert regelt. Über die erste Signalleitung 9 werden sowohl Steuersignale an die zweite Heizvorrichtung, als auch Signale eines – nicht gezeigten – Temperatur sensors in der zweiten Heizvorrichtung übertragen. Der Temperatursensor misst die Temperatur der Wabenstruktur. Vorteilhafterweise kann hier ein berührungslos arbeitender Temperatursensor verwendet werden.
Das Steuermittel 10 ist über eine zweite Signalleitung 11 mit der ersten Heizeinrichtung 4 verbunden und regelt die Temperatur der ersten Heizeinrichtung 4 bzw. des flüssigen Zusatzstoffes 5 auf einen vorbestimmten Wert. Auch hier erfolgt über die zweite Signalleitung 11 sowohl die Übertragung von Steuerdaten an die erste Heizeinrichtung 4, als auch die Übertragung von Temperaturdaten von der ersten Heizeinrichtung 4, die beispielsweise durch einen in die erste Heinzeinrichtung 4 integrierten Temperatursensor gemessen wird.
Die erste Handhabungseinrichtung 7 bewegt eine ausgebildete Wabenstruktur 6, die durch die Greifmittel 24 fixiert wird, so dass gewährleistet ist, dass sich gegebenenfalls der Durchmesser der Wabenstruktur 6 nicht ändert, von den Mitteln 8 zur Ausbildung einer Wabenstruktur hin zum Reservoir 3. Bevor die Stirnseite 22 der Wabenstruktur 6 mit dem flüssigen Zusatzstoff 5 in Kontakt gebracht wird, ist es möglich, ein gegebenenfalls die Wabenstruktur 6 umgebendes, nicht eingezeichnetes, Mantelrohr mit der Wabenstruktur 6 durch Ausbildung einer thermischen Fügeverbindung, beispielsweise mittels einer Induktionslötvorrichtung 13 zu verbinden. Beispielsweise kann in den Mitteln 8 zur Ausbildung einer Wabenstruktur auch ein Mittel zum Einbringen der Wabenstruktur 6 in ein Mantelrohr ausgebildet sein.
Eine zweite Handhabungseinrichtung 12 ist mit einer Induktionslötvorrichtung 13 versehen, die zur Ausbildung einer Lötverbindung zwischen Mantelrohr und Wabenstruktur 6 verwendet wird. Die erste Handhabungseinrichtung 7 und die zweite Handhabungseinrichtung 12 wirken so zusammen, dass sowohl eine Induktionslö tung zur Verbindung von Mantelrohr und Wabenstruktur 6, als auch ein in Kontakt bringen mit dem flüssigen Zusatzstoff 5 erfolgt.
Die Ausbildung der Induktionslötverbindung kann vor oder auch nach in Kontakt bringen mindestens einer der Stirnseiten 22 der Wabenstruktur 6 mit dem flüssigen Zusatzstoff 5 erfolgen. Wird die Induktionslötung vor in Kontakt bringen mit dem flüssigen Zusatzstoff 5 durchgeführt, so wird dabei in vorteilhafter Weise der Wabenkörper, bzw. die Wabenstruktur 6 und das Mantelrohr durch den Lötprozess aufgeheizt. Auch die Ausbildung der Verbindung zwischen Wabenstruktur 6 und Mantelrohr ist durch anderr thermischer Fügeverbindungen, bspw. durch Schweißen oder auch durch andere Lötverfahren erfindungsgemäß möglich.
2 zeigt einen Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Wabenkörper. Die Wabenstruktur 6 des Wabenkörpers ist aus im wesentlichen glatten Blechlagen 14 und strukturierten Blechlagen 15 aufgebaut, die Kanäle 16 bilden. Je nach Aufbau der Blechlagen 14, 15 ist es beispielsweise auch möglich, Wabenstrukturen 6 auszubilden, die keine durchgehenden Kanäle 16, sondern anders geartete Hohlräume bilden, beispielsweise ist so die Herstellung eines Wabenkörpers jeweils teilweise verschlossenen Kanälen möglich.
Sowohl als glatte Blechlagen 14, als auch als strukturierte Blechlagen 15 können erfindungsgemäß Lagen aus zumindest teilweise für ein Fluid durchströmbaren Material, also einem porösem oder auch hochporösem Material eingesetzt werden. Auch die Verwendung von Blechlagen 14, 15 bspw. aus Stahl sind erfindungsgemäß möglich.
Die glatten Blechlagen 14 und die strukturierten Blechlagen 15 weisen Verbindungsbereiche 17 auf, in denen die Blechlagen 14, 15 miteinander verbunden sind. Die Ausbildung der Verbindung in den exemplarisch eingezeichneten Ver bindungsbereichen 17 erfolgt erfindungsgemäß durch die Bildung einer Aluminiumlegierung mit lokal erniedrigtem Schmelzpunkt, da das Aluminium aus dem flüssigen Zusatzstoff 5 in die Blechlagen 14, 15 eindiffundiert und somit dort lokal den Schmelzpunkt senkt, so dass in den Verbindungsbereichen 17 die Blechlagen 14, 15 durch Verschmelzen miteinander verbunden werden. Dadurch, dass der Diffusionsvorgang weiter abläuft, wird der lokale Aluminium-Gehalt wieder gesenkt, so dass der lokale Schmelzpunkt steigt, so dass eine erneute Verfestigung erfolgt, so dass sich die Verbindungsbereiche wieder verfestigen.
Durch das Einstellen und Regeln der Temperatur der Wabenstruktur 6 und des flüssigen Zusatzstoffes 5 ist es in vorteilhafter Weise möglich, die Verfahrensführung zu steuern. Vor allem die Eindringtiefe des flüssigen Zusatzstoffes 5 in die Wabenstruktur 6 und die erreichte Diffusionslänge des Aluminiums in den Blechlagen 14, 15 lassen sich durch Vorgabe der Temperatur der Wabenstruktur 6 und/oder des flüssigen Zusatzstoffes 5 kontrollieren. Dies hat jedoch entscheidenden Einfluss auf die erzielten Eigenschaften der Verbindung zwischen den Blechlagen 14, 15.
3 zeigt am Beispiel eines aus aus Stahl gebildeten im wesentlichen glatten Blechlagen 14 und strukturierten Blechlagen 15 aufgebauten erfindungsgemäßen Wabenkörpers schematisch einen Verbindungsbereich 17 im Detail. Bei Benetzung der Oberfläche der Blechlagen mit dem Aluminium enthaltenden flüssigen Zusatzstoff 5 beginnt das Aluminium sofort in den Stahl der Blechlagen 14, 15 einzudiffundieren, so dass sich eine erste Zone 18, eine zweite Zone 19 und eine dritte Zone 20 mit hohem Aluminiumgehalt in den Blechlagen 14, 15 bilden. Diese lokal aluminiumreiche Aluminium-Stahl-Legierungen haben einen wesentlich niedrigeren Schmelzpunkt als der Stahl, aus dem die Blechlagen 14, 15 gefertigt sind, so dass sich die Zonen 18, 19 vorübergehend verflüssigen. Es entsteht so eine sehr innige Verbindung in der Nähe der Berührungsstelle 21, welche im Ide alfall nahezu die Eigenschaften einer Schweißverbindung aufweist, da die Stahlbleche vor der Verbindung direkt aneinanderliegen. Das Aluminium diffundiert bei hoher Temperatur weiter, wie mit Pfeilen angedeutet, in den Stahl hinein, wodurch der Schmelzpunkt der Zonen 18, 19 sich wieder erhöht und der Verbindungsbereich 17 erstarrt. Die so geschaffene Verbindung ist außerordentlich stabil und die Verbindungsmethode hat zusätzlich den Vorteil, dass der Stahl mit Aluminium angereichert werden kann, was für die Konosionseigenschaft von Vorteil ist. Im Bereich der dritten Zone 20 kommt es nur zu einer Erhöhung des Aluminiumanteils und somit zu verbesserten Korrosionseigenschaften in dieser dritten Zone 20.
Diese verbesserten Korrosionseigenschaften sind insbesondere in den stirnseitigen Bereichen des Wabenkörpers von Vorteil, da durch diese im Regelfall das Abgas in den Wabenkörper strömt bzw. diesen verlässt, so dass diese Bereiche besonders starken mechanischen und thermischen Belastungen ausgesetzt sind.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines Wabenkörpers ist es in vorteilhafter Weise durch in Kontakt bringen zumindest einer Stirnseite einer Wabenstruktur 6 des Wabenkörpers mit einem flüssigen Zusatzstoff 5, enthaltend Aluminium oder eine Aluminiumlegierung, möglich, eine innige und dauerhafte Verbindung von Blechlagen 14, 15 in Verbindungsbereichen 17 zu bewirken.

1: Vorrichtung zur Herstellung von Wabenkörpern
2: Kammer
3: Reservoir
4: erste Heizvorrichtung
5: flüssiger Zusatzstoff
6: Wabenstruktur
7: erste Handhabungseinrichtung
8: Mittel zur Ausbildung einer Wabenstruktur
9: erste Signalleitung
10: Steuermittel
11: zweite Signalleitung
12: zweite Handhabungsmittel
13: Induktionslötvorrichtung
14: glatte Blechlage
15: strukturierte Blechlage
16: Kanal
17: Verbindungsbereich
18: erste Zone
19: zweite Zone
20: dritte Zone
21: Berührungsstelle
22: Stirnseite
23: Öfffung
24: Greifmittel
25: Bewegungsmittel

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Wabenkörpers, insbesondere eines Katalysator-Trägerkörpers, mit zumindest teilweise für ein Fluid durchströmbaren Hohlräumen (16), umfassend die folgenden Schritte: a) Ausbilden einer metallischen Wabenstruktur (6) und b) in Kontakt bringen zumindest einer Stirnseite (22) der Wabenstruktur (6) mit einem flüssigen Zusatzstoff (5), enthaltend Aluminium oder eine Aluminiumlegierung.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Wabenstruktur (6) durch Wickeln zumindest einer Blechlage (14, 15), von denen zumindest eine teilweise strukturiert ist, ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Wabenstruktur (6) durch Stapeln einer Mehrzahl von Blechlagen (14, 15), die teilweise strukturiert und teilweise im wesentlichen glatt sind, und Verschlingen eines oder mehrer Stapel ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, bei dem wenigstens ein Teil der Blechlagen (14, 15) zumindest teilweise aus zumindest teilweise für ein Fluid durchströmbarem Material besteht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem vor oder nach Verfahrensschritt b) die Wabenstruktur (6) in ein Mantelrohr eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem nach Verfahrensschritt b) die Ausbildung einer thermischen Fügeverbindung, bevorzugt einer Löt- oder Schweißverbindung, besonders bevorzugt eine Induktionslötverbindung, zur Verbindung von Wabenstruktur (6) und Mantelrohr erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem vor Verfahrensschritt b), bevorzugt zeitnah vor dem Verfahrensschritt b), die Ausbildung einer thermischen Fügeverbindung, bevorzugt einer Löt- oder Schweißverbindung, besonders bevorzugt eine Induktionslötverbindung, zur Verbindung von Wabenstruktur (6) und Mantelrohr erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Wabenstruktur (6) und/oder das Mantelrohr vor Verfahrensschritt b) auf eine vorgegebene Temperatur aufgeheizt werden, die im wesentlichen der des flüssigen Zusatzstoffes (5) entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Wabenstruktur (6) und/oder das Mantelrohr vor Verfahrensschritt b) auf eine vorgegebene Temperatur oberhalb der Temperatur des flüssigen Zusatzstoffes (5) aufgeheizt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Wabenstruktur (6) und/oder das Mantelrohr vor Verfahrensschritt b) auf eine vorgegebene Temperatur unterhalb der Temperatur des flüssigen Zusatzstoffes (5) aufgeheizt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der flüssige Zusatzstoff (5) eine vorgegebene Temperatur aufweist, die im wesentlichen der Schmelztemperatur des Zusatzstoffes (5) entspricht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zumindest das in Kontakt bringen der Wabenstruktur (6) und ggf. des Mantelrohres mit dem flüssigen Zusatzstoff unter Vakuum oder Schutzgas, bevorzugt unter Schutzgas, durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der flüssige Zusatzstoff (5) im wesentlichen Aluminium enthält.
Vorrichtung zur Herstellung eines Wabenkörpers, mit – einem Reservoir (3) zur Aufnahme eines flüssigen Zusatzstoffes (5), – zumindest einer in thermischem Kontakt zum Reservoir (3) stehenden ersten Heizvorrichtung (4) und – mit einer Handhabungseinrichtung (7), wobei die Handhabungseinrichtung (7) a) Greifmittel (24) zum Greifen und b) Bewegungsmittel (25) zum Bewegen der Greifmittel zumindest oberhalb einer Öffnung (23) des Reservoirs (3), vorzugsweise in das Reservoir (3) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 14, bei der diese ein Mittel (8) zum Ausbilden einer Wabenstruktur, insbesondere durch Stapeln und Verschlingen oder durch Wickeln von einer oder mehreren, zumindest teilweise strukturierten Blechlagen (14, 15) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, bei der zumindest eine zweite Heizvorrichtung ausgebildet ist, die zur Aufheizung der Wabenstruktur (6) vor in Kontakt bringen mit dem flüssigen Zusatzstoff (5) dient.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, bei der Mittel zum Einbringen der Wabenstruktur (6) in ein Mantelrohr vorgesehen sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 17, bei der zumindest eine Induktionslöteinrichtung (13) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 18, bei der Regel- und/oder Steuermittel (10) vorgesehen sind, die über Signalleitungen (9, 11) mit der ersten und/oder der zweiten Heizvorrichtung (4) verbunden sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 19, bei der zumindest das Reservoir (3) in einer Kammer, vorzugsweise einer Vakuum- oder Schutzgaskammer, angeordnet ist.
Wabenkörper, hergestellt nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13 oder unter Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 20.