DE102009035612A1 - Wabenkörper und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Wabenkörper und Verfahren zu seiner Herstellung Download PDF

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Abstract

Verfahren zum Löten eines Wabenkörpers (1), aufweisend zumindest die folgenden Schritte: Bereitstellung des Wabenkörpers (1); Einfügen des Wabenkörpers (1) in ein Fixiermittel (3); Löten des Wabenkörpers (1); und Entfernen des Fixiermittels (3) vom Wabenkörper (1). Daneben wird ein mantelloser Wabenkörper vorgeschlagen, der allein formstabil ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wabenkörper sowie ein Verfahren zum Löten eines Wabenkörpers, einen nach einem solchen Verfahren hergestellten Wabenkörper, eine Abgasanlage aufweisend zumindest einen solchen Wabenkörper sowie ein Kraftfahrzeug mit zumindest einer entsprechenden Abgasanlage.
  • Wabenkörper werden beispielsweise in Abgassystemen von Kraftfahrzeugen, insbesondere Automobilen, motorbetriebenen Zweirädern, Flugzeugen oder Wasserfahrzeugen eingesetzt. Die möglichen Einsatzgebiete umfassen neben dem Einsatz als Katalysator-Trägerkörper auch insbesondere den Einsatz als Filterkörper. Wabenkörper können keramisch und/oder metallisch ausgebildet sein und weisen Kanäle auf, durch die das Abgas strömen kann. Aus der EP 0 436 533 B1 sind beispielsweise Wabenkörper bekannt, die einen gegensinnig verschlungenen Stapel zumindest teilweise strukturierter Bleche in einem Mantelrohr enthalten.
  • Bei den bekannten Herstellungsverfahren, wie sie bspw. aus der WO 03/106027 A1 bekannt sind, werden in einem ersten Schritt eine Vielzahl von zumindest teilweise strukturierten Lagen zu einem Stapel angeordnet, so dass für ein Abgas durchströmbare Kanäle gebildet werden. Nachfolgend werden mehrere dieser Stapel mittels Formsegmenten zu einem zylindrischen Wabenkörper geformt. Die einzelnen Lagen eines solchen zylindrischen Wabenkörpers werden anschließend regelmäßig verlötet. Zur Durchführung des Lötvorgangs ist es jedoch erforderlich, den Wabenkörper zuvor in ein Mantelrohr einzufügen, um damit die äußere Gestalt des Wabenkörpers zu fixieren. Bei dem nachfolgenden Lötvorgang wird der Wabenkörper untrennbar mit dem Mantelrohr verbunden. Dieses Mantelrohr dient nunmehr auch zur Integration in ein mobiles Abgassystem, wobei eine Schweißverbindung zu benachbarten Abgasleitungen über das Mantelrohr ausgebildet ist.
  • Diese Herstellung metallischer Wabenkörper hat sich bereits sehr gut bewährt. Allerdings besteht teilweise das Interesse, die Nachrüstbarkeit von einer Vielzahl unterschiedlicher Wabenkörper zu verbessern. Insbesondere bestehen hier aufgrund der unterschiedlichen Lagerung bzw. Fixierung von keramischen und metallischen Wabenkörpern technische Schwierigkeiten, denen sich hier erstmalig angenommen werden soll.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise zu lösen und insbesondere ein Verfahren zum Löten eines Wabenkörpers anzugeben, das die Herstellung eines besonders leichten und kostengünstigen Wabenkörpers ermöglicht. Ferner soll auch eine Abgasanlage für ein Kraftfahrzeug mit einem besonders leichten und kostengünstigen Wabenkörper angegeben werden.
  • Diese Aufgaben werden gelöst gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängig formulierten Patentansprüchen angegeben. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den abhängig formulierten Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller, Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung definieren. Darüber hinaus werden die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale in der Beschreibung näher präzisiert und erläutert, wobei weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt werden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Löten eines Wabenkörpers weist zumindest die folgenden Schritte auf:
    • – Bereitstellung des Wabenkörpers,
    • – Einfügen des Wabenkörpers in ein Fixiermittel,
    • – Löten des Wabenköpers und
    • – Entfernen des Fixiermittels vom Wabenkörper.
  • Bevorzugt ist, dass diese Schritte in der angegebenen Reihenfolge nacheinander ausgeführt werden, wobei ggf. nur ein Transport der Komponenten vorgenommen wird.
  • Der bereitgestellte Wabenkörper weist mindestens eine zumindest teilweise strukturierte gewickelte, gestapelte oder gewundene Lage auf. Bevorzugt ist der Wabenkörper jedoch durch eine Mehrzahl von zumindest teilweise strukturierten Lagen und glatten Lagen gebildet, die alternierend zu einem oder mehreren Stapeln geschichtet und anschließend bspw. S-förmig, U-förmig oder W-förmig miteinander verwunden werden. Bei den verwendeten Lagen handelt es sich regelmäßig um Metallbleche oder Metallfolien. Zur Ausgestaltung eines derartigen Wabenkörpers, insbesondere im Hinblick auf die Anordnung der einzelnen Lagen zueinander, sei an dieser Stelle auf die Dokumente WO-A1-90/03220 , EP-A1-0245737 und EP-A1-0831969 verwiesen, deren Offenbarungsinhalt hier vollständig mit umfasst ist. Wesentlich ist jedoch, dass der hier bereitgestellte Wabenkörper kein Mantelrohr bzw. Trägerrohr aufweist bzw. ein solches bei dem hier vorgeschlagenen erfindungsgemäßen Verfahren zum Löten eines Wabenkörpers nicht erforderlich ist. Der Wabenkörper kann in runder oder unrunder Form, z. B. oval oder mehreckig, und bevorzugt mit einem Durchmesser von 30 bis 1.000 mm vorliegen.
  • Anschließend wird der bereitgestellte Wabenkörper in ein Fixiermittel zumindest teilweise eingefügt. Dieses Fixiermittel kann insbesondere aus Keramik oder Metall hergestellt sein und dient (nur) zur Fixierung des Wabenkörpers während des Lötvorgangs. Mit anderen Worten ist das Fixiermittel dazu geeignet, die äußere Gestallt des Wabenkörpers während des Lötvorgangs zu fixieren und insbesondere die Rückbildung von elastischen Verformungen der Lagen des Wabenkörpers über einen gewünschten Außendurchmesser des Wabenkörpers hinaus zu verhindern.
  • So wird der Wabenkörper in dem Fixiermittel verlötet, wobei der Wabenkörper vollständig oder partiell auf eine Löttemperatur gebracht wird. Das Löten kann insbesondere in einem Ofen, ggf. in einem Durchlaufofen, durchgeführt werden, wobei die erforderlichen Temperaturen oberhalb von z. B. 800°C mit einem gewünschten zeitlichen Verlauf eingestellt werden. Das Löten (Hartlöten) ist regelmäßig in einer Schutzgasatmosphäre (ggf. mit einem Vakuum) vorzunehmen. Dabei ist dieser Prozess so eingestellt, dass keine (beachtlichen) Lötverbindungen zwischen dem Fixiermittel und dem Wabenkörper sondern nur Lötverbindungen zwischen den Lagen des Wabenkörpers entstehen. Nur der Vollständigkeit halbersei hier angemerkt, dass auch ein reines Diffusionslöten stattfinden kann, bei dem die Lötverbindungen nicht durch ein (zusätzliches) Lotmaterial sondern nur durch Diffusionsanbindungen der metallischen Lagen im Kontaktbereich realisiert sind. Auch Mischformen beider Arten von Lötverbindungen sind möglich.
  • Nach dem Löten wird der Wabenkörper aus dem Fixiermittel wieder entfernt. Dies kann bspw. mit Hilfe eines Stempels erfolgen, der auf eine der Stirnflächen des Wabenkörpers in Richtung einer Längsachse des Wabenkörpers eine Kraft aufbringt und so den Wabenkörper aus dem Fixiermittel drückt. Bevorzugt ist hier, dass zur Entfernung des Fixiermittels eine Kraft, z. B. mit Hilfe eines Stempels, auf eine der Stirnflächen des Wabenkörpers aufzubringen ist, die kleiner 1000 N (Newton), besonders bevorzugt kleiner 500 N oder ganz besonders bevorzugt kleiner 250 N ist.
  • Selbstverständlich kann diese Kraft zur Entfernung des Fixiermittels auch auf das Fixiermittel, oder sogar auf das Fixiermittel und den Wabenkörper gleichzeitig aufgebracht werden. Im letzteren Fall wird die Kraft auf das Fixiermittel und die Kraft auf den Wabenkörper bevorzugt mit jeweils gegenläufigen Kraftvektoren eingeleitet.
  • Um die Entfernung des Fixiermittels vom Wabenkörper zu erleichtern, wird ferner vorgeschlagen, eine Kontaktfläche des Fixiermittels mit einer Mantelfläche des Wabenkörpers zumindest teilweise zu beschichten. Bei dieser Beschichtung kann es sich beispielsweise um eine Beschichtung handeln, die das Anhaften von flüssigem Lotmaterial zumindest teilweise verhindert. Insbesondere haben sich hierbei Keramiken als geeignet erwiesen, wie zum Beispiel Oxide, insbesondere Al2O3. Zur noch weiteren Erleichterung der Entfernung des Fixiermittels vom Wabenkörper kann das Fixiermittel auch in mehrere Hälften teilbar sein.
  • In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass ein Lotmaterial zumindest über eines der nachfolgenden Verfahren bereitgestellt wird:
    • – Bereitstellung über das Fixiermittel und
    • – Bereitstellung über zumindest eine der beiden Stirnflächen des Wabenkörpers.
  • Die Bereitstellung von Lotmaterial über das Fixiermittel kann bspw. durch Aufbringung von Lotmaterial auf den Kontaktbereich des Fixiermittels mit einer Mantelfläche des Wabenkörpers vor Einfügen des Wabenkörpers in das Fixiermittel erfolgen. Hierdurch kann insbesondere die Mantelfläche des Wabenkörpers (gezielt) belotet werden. Dabei kann das Lotmaterial z. B. streifenförmig ausgebildet und auf dem Fixiermittel (vorübergehend) haftend angeordnet sein.
  • Gleichwohl ist aber auch möglich, dass das (bevorzugt pulverförmige) Lotmaterial nach dem Einfügen des Wabenkörpers in das Fixiermittel bspw. über Kanäle im Fixiermittel zur Verlötung des Wabenkörpers bereitgestellt wird. Selbstverständlich kann das Lotmaterial auch über eine der beiden Stirnflächen zumindest in einem Bereich des Wabenkörpers bereitgestellt werden.
  • Klarzustellen sei hier, dass über die hier beschriebenen Verfahren zur Bereitstellung von Lotmaterial auch Adhäsivmittel (z. B. Leim) zur Anbringung von Lotmaterial in oder am Wabenkörper bereitgestellt werden können.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird auch ein Wabenkörper vorgeschlagen, der zumindest eine teilweise strukturierte Lage auf, wobei die zumindest teilweise strukturierte Lage des Wabenkörpers so mit sich selbst oder weiteren Lagen des Wabenkörpers verlötet ist, dass der Wabenkörper allein formstabil ist.
  • Dabei ist der Wabenkörper bevorzugt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Löten eines Wabenkörpers hergestellt. Dies bedeutet insbesondere, dass der Wabenkörper nach dem Löten und Entfernen des Fixiermittels seine äußeren Gestalt im Wesentlichen nicht verändert.
  • Folglich wird so ein – auch unter den thermischen und dynamischen Belastungen eines mobilen Abgassystems – formstabiler Wabenkörper angegeben, dessen äußere Kontur (insbesondere Mantelfläche) nur durch die miteinander verlöteten Lagen definiert werden. Insbesondere sich die Lagen mit einem Mantel, Gehäuse oder dergleichen fügetechnisch (z. B. durch Schweißen und/oder Löten) verbunden. Die Kontur (insbesondere Mantelfläche) wird folglich z. B. durch Enden der Lagen definiert und durch die Lötverbindungen fixiert. Insbesondere sind auch keine Schweißverbindungen zwischen den Lagen ausgebildet, sondern nur Lötverbindungen (bzw. Diffusionsverbindungen).
  • Gemäß einer Weiterbildung wird auch eine Abgasanlage vorgeschlagen, wobei die Abgasanlage zumindest eine Abgasleitung mit zumindest einem erfindungsgemäßen Wabenkörper aufweist. Bevorzugt ist hier, dass die Abgasleitung eine Länge aufweist, die mindestens das 5-fache der Länge des Wabenkörpers in Richtung seiner Längsachse beträgt. Die Integration des Wabenkörpers erfolgt aber nicht stoffschlüssig – es werden also hier keine Schweißverbindungen oder Lötverbindungen mit der Abgasleitung realisiert. Auch die hier angegebene Länge der Abgasleitung soll erkennen lassen, dass hier kein übliches Mantelrohr, sondern z. B. Schalldämpferbereiche der Abgasleitung gemeint sind. Insbesondere sind damit auch die Abschnitte gemeint, die bislang zur Lagerung von keramischen Wabenstrukturen dienten.
  • Ebenfalls vorteilhaft ist es, den zumindest einen Wabenkörper mit Hilfe einer Fixiermatte formschlüssig oder kraftschlüssig mit der Abgasleitung verbunden ist. Dies bedeutet insbesondere, dass der Wabenkörper zumindest über einen Teil seiner Mantelfläche mit Hilfe der elastischen Fixiermatte in der Abgasleitung fixiert ist. Eine solche Abgasanlage ermöglicht einen besonders einfachen Wechsel zwischen Keramikwabenkörpern und Metallwabenkörpern. Auch hierbei ist bevorzugt, über diese radiale Druckbelastung und/oder gegebenenfalls axiale Anschlagflächen keine zusätzlichen fügetechnischen Verbindungen (an der Mantelfläche) des Wabenkörpers auszubilden.
  • Eine andere Weiterbildung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasleitung (zumindest teilweise) aus einer ersten Halbschale und einer zweiten Halbschale besteht. Eine solche Abgasanlage ermöglicht einen besonders einfachen Wechsel der Wabenkörper. Dieses für die Lagerung von keramischen Wabenkörpern bekannte 2-schalige Konzept wird folglich nunmehr für die Integration des formstabilen, mantellosen Wabenkörpers adaptiert.
  • Darüber hinaus wird auch ein Kraftfahrzeug mit einer Verbrennungskraftmaschine vorgeschlagen, das zumindest eine erfindungsgemäße Abgasanlage aufweist.
  • Damit findet die Erfindung insbesondere Anwendung in mobilen Abgassystemen, wie bei Personenkraftwagen, Lastkraftwagen und dergleichen.
  • Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren besonders bevorzugte Ausführungsvarianten der Erfindung zeigen, diese jedoch nicht darauf beschränkt ist. Es zeigen schematisch:
  • 1: eine schematische Darstellung eines Stapels,
  • 2: eine schematische Darstellung des Verfahrens zum Löten eines Wabenkörpers vor dem Einfügen eines Wabenkörpers in ein Fixiermittel,
  • 3: eine schematische Darstellung des Verfahrens zum Löten eines Wabenkörpers vor dem Entfernen des Fixiermittels von dem Wabenkörper, und
  • 4: ein Kraftfahrzeug aufweisend eine Abgasanlage mit einem Wabenkörper.
  • 1 zeigt schematisch einen Stapel 5 aus geschichteten, zumindest teilweise strukturierten Lagen 6 und im Wesentlichen glatten Lagen 14, die durch Abgas durchströmbare Kanäle 15 bilden. Innerhalb dieses Stapels 5 sind zwischen den zumindest teilweise strukturierten Lagen 6 und im Wesentlichen glatten Lagen 14 Bereiche 26 mit Lotmaterial 17 ausgebildet.
  • Aus 2 geht nun ein Wabenkörper 1 hervor, der aus einer Mehrzahl hier nur schematisch dargestellter und verwundener Stapel 5 gebildet ist. Hierbei erstrecken sich die durch die Stapel 5 gebildeten mit Abgas durchströmbaren Kanäle 15 zwischen den beiden Stirnflächen 7 des Wabenkörpers 1 im Wesentlichen parallel zu einer Achse 21 des Wabenkörpers 1. Bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel des Verfahrens zum Löten eines Wabenkörpers 1 wird der Wabenkörper 1 in eine erste Richtung 18 in Richtung eines Fixiermittels 3 geführt. Das Fixiermittel 3 ist in diesem Ausführungsbeispiel als Fixierrohr 22 ausgebildet. Das Fixierrohr 22 weist in seinem Inneren einen Kontaktbereich 4 auf, der mit der Mantelfläche 23 des Wabenkörpers 1 in Kontakt bringbar ist. Auf diesen Kontaktbereich 4 ist in diesem Ausführungsbeispiel des Verfahrens zum Löten eines Wabenkörpers ein Lotmaterial 17 in Form von Lotpulver aufgebracht.
  • Die 3 zeigt nun schematisch den Wabenkörper 1, nachdem dieser vollständig, hier durch einen Stempel 10, in das Fixiermittel 3 eingefügt wurde. Hierbei liegt die Mantelfläche 23 des Wabenkörpers 1 im Wesentlichen vollständig an dem Kontaktbereich 4 des Fixiermittels 3 an. Hierdurch ist gewährleistet, dass der Durchmesser 24 des Wabenkörpers 1 durch den Innendurchmesser 25 des Fixiermittels 3 vorgegeben ist. Selbstverständlich wird grundsätzlich ein Fixiermittel 3 gewählt, dessen Innendurchmesser 25 maximal dem Durchmesser 24 des Wabenkörpers 1 entspricht.
  • Die Temperatur des so fixierten Wabenkörpers 1 wird nachfolgend auf eine Löttemperatur erhöht, so dass durch das hier nicht dargestellte Lotmaterial 17 hier nicht dargestellte Bereiche 26 ausgebildet werden (vgl. 1), die zu einer nachhaltigen Verbindung zwischen den einzelnen Lagen der Stapel 5 führen. Nach Abschluss des Lötvorgangs wird der Wabenkörper 1 mit Hilfe eines Stempels 10 in Richtung einer zweiten Richtung 19 aus dem Fixiermittel 3 entfernt, indem mit dem Stempel 10 auf die Stirnfläche 7 des Wabenkörpers 1 eine Kraft in Richtung der zweiten Richtung 19 ausgeübt wird.
  • Die 4 zeigt ein Kraftfahrzeug 2 mit einer Verbrennungskraftmaschine 16, die fluidleitend über eine Abgasleitung 9 einer Abgasanlage 8 mit einem Wabenkörper 1 verbunden ist, wobei der Wabenkörper 1 allein, das heißt ohne ein Trägerrohr bzw. ein Mantelrohr, formstabil ist. Um eine leichte Montage des Wabenkörpers 1 zu ermöglichen, kann die Abgasleitung 9 im Bereich einer Schnittlinie 20 durch eine erste Halbschale 12 und eine zweite Halbschale 13 geöffnet werden. Hierdurch kann der Wabenkörper 1 mit Hilfe einer ihn umschließenden äußeren flexiblen Fixiermatte 11 im Inneren der Abgasleitung 9 angeordnet werden und beim Schließen der ersten Halbschale 12 und der zweiten Halbschale 13 formschlüssig, kraftschlüssig oder reibschlüssig mit der Abgasleitung 9 verbunden werden.
  • Das vorgeschlagene Verfahren zum Löten eines Wabenkörpers zeichnet sich dadurch aus, dass mit diesem (allein bzw. selbstständig) formstabile Wabenkörper ohne Trägerrohr bzw. Mantelrohr herstellbar sind, die besonders leicht und kostengünstig sind. Darüber hinaus ist die Anwendung eines solchen Wabenkörpers ganz besonders vorteilhaft in einer Abgasanlage für ein Kraftfahrzeug.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Wabenkörper
    2
    Kraftfahrzeug
    3
    Fixiermittel
    4
    Kontaktbereich
    5
    Stapel
    6
    zumindest teilweise strukturierte Lage
    7
    Stirnfläche
    8
    Abgasanlage
    9
    Abgasleitung
    10
    Stempel
    11
    Fixiermatte
    12
    erste Halbschale
    13
    zweite Halbschale
    14
    glatte Lage
    15
    Kanäle
    16
    Verbrennungskraftmaschine
    17
    Lotmaterial
    18
    erste Richtung
    19
    zweite Richtung
    20
    Schnittlinie
    21
    Achse
    22
    Fixierrohr
    23
    Mantelfläche
    24
    Durchmesser
    25
    Innendurchmesser
    26
    Bereich
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - EP 0436533 B1 [0002]
    • - WO 03/106027 A1 [0003]
    • - WO 90/03220 A1 [0009]
    • - EP 0245737 A1 [0009]
    • - EP 0831969 A1 [0009]

Claims (7)

  1. Verfahren zum Löten eines Wabenkörpers (1), aufweisend zumindest die folgenden Schritte: – Bereitstellung des Wabenkörpers (1), – Einfügen des Wabenkörpers (1) in ein Fixiermittel (3), – Löten des Wabenköpers (1), und – Entfernen des Fixiermittels (3) vom Wabenkörper (1).
  2. Verfahren nach dem vorhergehenden Patentanspruch, wobei ein Lotmaterial zumindest über eines der nachfolgenden Verfahren bereitgestellt wird: – Bereitstellung über das Fixiermittel (3), und – Bereitstellung über zumindest eine der beiden Stirnflächen (7) des Wabenkörpers (1).
  3. Wabenkörper (1) aufweisend zumindest eine zumindest teilweise strukturierte Lage (6), wobei die zumindest teilweise strukturierte Lage (6) des Wabenkörpers (1) so mit sich selbst oder weiteren Lagen des Wabenkörpers (1) verlötet ist, dass der Wabenkörper (1) allein formstabil ist.
  4. Abgasanlage (8), aufweisend zumindest eine Abgasleitung (9) mit zumindest einem Wabenkörper (1) nach Patentanspruch 3.
  5. Abgasanlage (8) nach Patentanspruch 4, wobei der zumindest eine Wabenkörper (1) mit Hilfe einer Fixiermatte (11) formschlüssig oder kraftschlüssig mit der Abgasleitung (9) verbunden ist.
  6. Abgasanlage (8) nach Patentanspruch 4 oder 5, wobei die Abgasleitung (9) aus einer ersten Halbschale (12) und einer zweiten Halbschale (13) besteht.
  7. Kraftfahrzeug (2) mit einer Verbrennungskraftmaschine (16) aufweisend zumindest eine Abgasanlage (8) nach einem der Patentansprüche 4 bis 6.
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