DE3940665A1

DE3940665A1 - Traegerkoerper fuer abgasreinigungskatalysator

Info

Publication number: DE3940665A1
Application number: DE3940665A
Authority: DE
Inventors: Yuzo Hitachi; Haruo Serizawa
Original assignee: Usui Kokusai Sangyo Kaisha Ltd
Current assignee: Usui Kokusai Sangyo Kaisha Ltd
Priority date: 1988-12-13
Filing date: 1989-12-08
Publication date: 1990-06-21
Also published as: DE8914489U1; JPH02160051A; KR940005266B1; KR900010197A; JP2745222B2

Description

Die Erfindung betrifft einen aus Metall hergestellten Trä gerkörper für Abgasreinigungskatalysator, der durch Über einanderlegen eines flachen Bandes aus dünnem Metallblech und eines gewellten Bandes aus einem anderen dünnen Metall blech in Spiralform oder in Laminatform zu einem mehr schichtigen Körper unter Ausbildung vieler netzwerkartiger Gasflußpassagen entlang der Mittelachse desselben herstell bar ist.

Die Erfindung bezieht sich also auf einen aus Metall herge stellten Trägerkörper zur Aufnahme eines Abgasreinigungskata lysator, wie er üblicherweise als Abgasreinigungseinrich tung in einem Automobil-Abgassystem vorgesehen ist.

Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf einen metalli schen Trägerkörper zur Aufnahme eines Abgasreinigungskata lysators, wobei die Einzelkomponenten des Trägerkörpers ihre Funktion ohne Auflösung, Brechen oder andere Schäden auch unter extremen Umgebungsbedingungen erfüllen können.

Konventionelle aus Metall hergestellte Trägerkörper obiger Gattung, die zur Aufnahme eines Abgasreinigungskatalysators ausgelegt sind, umfassen derartige Trägerkörper mit einer Struktur, die einen durch Übereinanderlegen mindestens ei nes flachen Metallbandes und mindestens eines gewellten Me tallbandes in Schichten oder Zusammenrollen derselben zu einem mehrschichtigen Körper derart, daß die Trägerfläche pro Einheitsvolumen erhöht wird, um die wirksame Kontakt fläche zwischen Abgas und Abgasreinigungskatalysator pro Einheitsvolumen soweit wie möglich zu vergrößern und ferner das Eigengewicht des metallischen Trägerkörpers soweit wie möglich zu erniedrigen, besitzen.

Beispielsweise werden ein flaches Band aus hitzebeständigem dünnen Fe-Cr (Eisen-Chrom) Stahlblech mit einer Dicke von 0,1 mm oder weniger und ein gewelltes Band aus einem weite ren dünnen Blech des gleichen Materials unter Ausbildung von Kontaktflächen zwischen beiden übereinandergelegt. Sie werden sodann gemeinsam spiralförmig zu einem mehrschichti gen Körper aufgerollt, der viele netzartige Gasflußpassagen entlang seiner Mittelachse begrenzt, um die Passage der Ab gase durch diesen zu ermöglichen. Der mehrschichtige Körper ist in einem rohrförmigen einschichtigen Metallgehäuse ein geschlossen und ist an seinen gegenüberliegenden Enden of fen. Die Bestandteile des mehrschichtigen Körpers, nämlich das flache und das gewellte Band, werden zu einer vibrati onssicheren Struktur zusammengefügt.

Das flache, das gewellte Band und auch das Metallgehäuse werden an ihren Kontaktflächen durch Schweißen, wie in den japanischen Offenlegungsschriften 13 462/1979 und 1585/1982, oder auch durch Löten, wie in den japanischen Offenlegungs schriften 4373/1981 und 1 99 574/1986 beschrieben, verbunden.

Die derart nach konventionellen Verbindungsverfahren herge stellten Trägerkörper haben die nachfolgenden Strukturpro bleme.

Der metallische Träger wird in einer extremen thermischen Umgebung eingesetzt und benötigt daher eine entsprechende Widerstandsfähigkeit gegen Brechen, Rißbildungen oder Ablö sung der den Trägerkörper bildenden Teile. Im Abgassystem eines Automobils werden die Bestandteile des Trägerkörpers Belastungen (nachfolgend als "thermische Belastungen" be zeichnet) durch die großen Unterschiede ihrer thermischen Expansionskoeffizienten (Volumenexpansion und lineare Ex pansion) unter extremen Erhitzungs- und Abkühlungszyklen von -20°C bis 900°C ausgesetzt. Wenn diese anfangen, sich abzulösen, reißen die Teile oder brechen, wenn sie zusätzlich durch Vibrationen des Motors oder des Auto mobilkörpers belastet werden. Bei der konventionellen Ausbildung kann eine derartige Abtrennung und Rißbildung nicht vollständig vermieden werden.

Es ist demzufolge ein Ziel der Erfindung, einen aus Metall hergestellten Trägerkörper zu schaffen, der zur Aufnahme ei nes Abgasreinigungskatalysators ausgelegt ist, bei dem die Bestandteile an ihrer Trennung oder Reißen gehindert werden.

Erfindungsgemäß wird ein metallischer Trägerkörper zur Auf nahme eines Abgasreinigungskatalysators geschaffen, der dadurch gekennzeichnet ist, daß das gewellte Band mehrere Stufen und Vertiefungen zwischen den Stufen aufweist, die das flache Band berühren, wobei das flache Band so geformt ist, daß eine Form-Einheit des gewellten Bandes zwischen zwei Erhebungen und einer einzelnen Vertiefung länger als eine virtuelle Sinuskurve ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Weitere Vorteile, Ziele und zusätzliche Merkmale der Erfin dung sind dem Fachmann unter Bezugnahme auf die detaillier te nachfolgende Beschreibung und die begleitenden Zeich nungen ersichtlich, in denen zwei bevorzugte Ausführungs formen der Erfindung als illustrative Beispiele dargestellt sind. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine Teilansicht eines mehrschichtigen Trägerkörpers aus einem gewellten Metallband einer Sonder-Form gemäß ei ner Ausführungsform der Erfindung und eines flachen Me tallbandes;

Fig. 2 eine Ansicht ähnlich der Fig. 1 eines gewellten Me tallbandes einer anderen Form gemäß einer weiteren Ausfüh rungsform der Erfindung;

Fig. 3 eine Ansicht ähnlich den Fig. 1 und 2, des Standes der Technik;

Fig. 4 eine Aufsicht auf einen metallischen Trägerkörper zur Aufnahme eines Abgasreinigungskatalysators, in dem der mehrschichtige Körper der Fig. 2 eingesetzt ist; und

Fig. 5 eine Aufsicht auf einen metallischen Trägerkörper zur Aufnahme eines Abgasreinigungskatalysators, bei dem der mehrschichtige Körper der Fig. 1 eingesetzt ist.

Die Erfindung ist insbesondere dann nützlich, wenn sie an einem aus Metall hergestellten Trägerkörper (nachfolgend auch als "Trägerkörper" bezeichnet) zur Aufnahme eines Ab gasreinigungskatalysators ausgeführt wird. Wichtige Merk male der Erfindung liegen in der Form des einen Bestandteil des Trägerkörpers bildenden gewellten Metallbandes, wie in den Fig. 1, 2, 4 und 5 gezeigt. Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsformen begrenzt, und jede die ser Ausführungsformen ist bildlich beispielhaft gegeben.

Fig. 1 zeigt einen Abschnitt eines mehrschichtigen Körpers 1 im Detail, der aus einem wellenförmigen Metallband (10) gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; und einem fla chen Metallband 20 besteht.

Fig. 2 zeigt einen Abschnitt einer weiteren Ausführungsform des mehrschichtigen Körpers 1 im Detail, die aus einem modifizierten wellenförmigen Metallband 11 anderer Form ge mäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung und einem flachen Metallband 21 besteht.

Fig. 3 zeigt eine Ansicht ähnlich den Fig. 1 und 2, zeigt jedoch einen mehrschichtigen Körper 1 nach dem Stand der Technik, der aus einem gewellten Metallband 12 und einem flachen Metallband 22 zusammengesetzt ist.

Fig. 4 zeigt einen aus Metall hergestellten Trägerkörper für einen Abgasreinigungskatalysator, der durch Einsatz des mehrschichtigen Körpers 1 der Fig. 2 in ein rohrförmiges Metallgehäuse kreisförmigen Querschnitts aufgebaut ist. In Fig. 2 umfaßt der mehrschichtige Körper 1 das gewellte Me tallband 11 einer besonderen Form und das flache Metallband 21.

Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform des Trägerkör pers, der durch Einsetzen des mehrschichtigen Körpers 1 der Fig. 1 in ein hohles Metallgehäuse 2 ovalen Querschnitts aufgebaut ist. In Fig. 5 umfaßt der mehrschichtige Körper 1 das gewellte Metallband 10 einer besonderen Form und das flache Metallband 20.

Wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt, unterscheidet sich die Form des gewellten Metallbandes, einem der Bestandteile des mehrschichtigen Körpers 1 beträchtlich von der Form des ge wellten Metallbandes nach dem Stand der Technik (Fig. 3).

Ein gewelltes Metallband 12 nach dem Stand der Technik, in Fig. 3 gezeigt, besitzt eine im wesentlichen trapezoide Form. Obwohl es nicht dargestellt ist, besitzen andere be kannte wellenförmige Metallbänder die Form einer Sinuswelle entsprechend der trigonometrischen Funktion und die Form von Meandern mit aufeinander folgenden Reihen halbkreisför migen Kurven. Zu Vergleichszwecken werden diese Formen aller bekannten wellenförmigen Metallbänder hier als virtuelle Sinuskurve definiert.

In Fig. 1 und 2 besitzt das gewellte Metallband 10, 11 meh rere Brücken und mehrere Vertiefungen zwischen den Brücken, die beide das flache Metallband 20, 21 berühren.

Es ist dabei wesentlich, wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt, daß das gewellte Metallband 10, 11 eine Form derart be sitzt, daß das gewellte Metallband 10, 11 länger als die sinuswellenförmigen Kurven der gewellten Metallblechbänder 12 nach dem Stand der Technik ist, betrachtet als einheit liches Teil des gewellten Bandes zwischen jeder Brücke und jeder an diesen anschließenden Vertiefungen.

Insbesondere besitzt der Einheitsteil des gewellten Metall bandes der Fig. 1 eine einzelne Stufe. Der Einheitsteil des gewellten Metallbandes der Fig. 2 besitzt im wesentlichen eine Semi-Omega-Form.

Zur Verwendung des gewellten Metallbandes 10, 11 der oben genannten Spezialform kann die Herstellung eines metalli schen Trägerkörpers für einen Abgasreinigungskatalysator in üblicherweise durchgeführt werden. Beispielsweise werden das speziell geformte gewellte Band 10, 11 und das flache Band 20, 21 übereinander zu einem Mehrschichtkörper 1 in spiraliger oder Laminatform übereinandergelegt und umgren zen viele netzwerkartige Gasflußpassagen entlang ihrer Mit telachse. Anschließend wird der mehrschichtige Körper 1 in ein rohrartiges Metallgehäuse 2 (Containergehäuse) einge paßt (Fig. 4 und 5) von kreisförmiger oder allgemein ovalem Querschnitt. Schließlich werden die Bestandteile des mehr schichtigen Körpers als auch das Gehäuse miteinander an ih ren Kontaktflächen, beispielsweise durch Löten verbunden.

Aufgrund der Form des gewellten Metallbandes kann der me tallische Trägerkörper sogar unter extremen Umgebungsbedin gungen eine hervorragende Haltbarkeit bieten.

Es ist demzufolge möglich, die Auftrennung der Bestandteile aufgrund thermischer Spannungen durch Wärmeexpansion (Volu menexpansion und lineare Expansion) bei den extremen Ab kühl- und Erhitzungszyklen von -20°C auf 900°C zu verhin dern. Es ist auch möglich, die Rißbildung oder das Brechen von Bestandteilen aufgrund von Vibrationen des Motors oder des Automobilgehäuses zu umgehen. Dies ist deshalb möglich, da die hohen Spannungen durch die thermische Belastung durch die aufeinanderfolgenden Stufen des gewellten Bandes 10 der Fig. 1, da die einzelnen Stufen elastisch deformiert werden, abgebaut werden. Bei der Ausführungsform der Fig. 2 besitzt das gewellte Band 11 Mäanderform mit aufeinander folgenden Semi-Omega-Einheiten, von denen jede elastisch zur Aufnahme der großen Spannungen durch thermische Bela stungen deformierbar ist.

Obwohl die besondere Form des Metallbandes unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht auf die dargestellten spezifischen Formen begrenzt; ohne sich vom Schutzbereich des Anspruchs zu entfernen. Bei spielsweise kann jede Form-Einheit des gewellten Bandes 10 der Fig. 1 eine beliebige Anzahl Stufen besitzen und es sind verschiedene Abwandlungen und Änderungen der Form der individuellen Stufen möglich. Obwohl in den Fig. 4 und 5 ein rohrförmiges Metallgehäuse 2 eingesetzt wird, ist das rohrförmige Metallgehäuse nicht erfindungswesentlich.

Mit dem derart hergestellten Trägerkörper kann eine adequate Haltbarkeit sogar dann erzielt werden, wenn dieser unter extremen Bedingungen eingesetzt wird, nämlich bei der hohen Temperatur des Abgases und der exothermen Reaktion zwischen Abgas und Abgasreinigungskatalysator und Abkühl- und Erhitzungszyklen, da das gewellte Metallband, eines der Be standteile des Trägerkörpers, eine einzigartige Wellenform besitzt. Insbesondere ist es möglich, die Bestandteile des Trägerkörpers daran zu hindern, aufgrund der thermischen Belastungen durch die extremen Einsatzbedingungen sich zu trennen, zu reißen oder zu brechen.

Die Erfindung wird nachfolgend detailliert anhand des nach folgenden Beispiels beschrieben; die Erfindung ist jedoch nicht auf dieses Beispiel begrenzt.

Beispiel 1: i) Flaches Band

Als flaches Band wurde hitzebeständiges Stahlblech mit 20 Gew.% Chrom und 5 Gew.% Aluminium sowie einer Dicke von 0,05 mm und einer Breite von 70 mm eingesetzt.

ii) Gewelltes Band:

Ein weiteres Stahlband der gleichen Art, wie das flache Band wurde in eine wellenartige Form mit Erhebungen einer Höhe von 1,8 mm, die jeweils 3,5 mm voneinander entfernt ausgebildet waren, geformt.

Anschließend wurde das flache und das gewellte Metallband übereinandergelegt und anschließend gemeinsam zu einer Spi ralform zum mehrschichtigen Körper aufgerollt. Resultie rende mehrschichtige Körper wurden in ein rohrförmiges Me tallgehäuse kreisförmigen Querschnitts mit einem Innen durchmesser von etwa 70 mm unter Druckanwendung einge bracht. Nach Aufbringen eines Lötmaterials wurde zum Löten an den Kontaktflächen zwischen den flachen und gewellten Metallbändern und auch zwischen dem mehrschichtigen Körper und dem Metallgehäuse eine Wärmebehandlung unter Verwendung eines nickelhaltigen Hochtemperaturlötmaterials durch geführt. Anschließend wurde eine Aufschlämmung, in der ak tives Aluminiumoxidpulver (Gamma-Aluminiumoxid) und Alumi niumhydroxidsol gemischt waren, auf die Wandflächen der Abgasreinigungspassagen des Trägerkörpers aufgebracht, an schließend die Aufschlämmung einer Wärmebehandlung bei 600°C unterworfen, um eine die Wandflächen der Abgaspassa gen überziehende abgaskatalysatortragende Schicht herzustellen. Es wurde ein Haltbarkeitstest durchgeführt, bei dem der derart hergestellte Trägerkörper Vibrationen ausgesetzt wurde, während er schnell im Temperaturbereich von Normaltemperatur bis 800°C über 50 Zyklen aufgeheizt und abgekühlt wurde. Das Resultat des Tests zeigte, daß keine Auftrennung der Bestandteile an den Kontaktflächen auftrat und keine Rißbildung oder Brechen der Bestandteile beobachtet wurde, wodurch angezeigt wird, daß dieser metal lische Trägerkörper eine hervorragende Wärmebeständigkeit und Stoßsicherheit besitzt.

Claims

1. Aus Metall hergestellter Trägerkörper für Abgasreini gungskatalysator, der durch Übereinanderlegen eines flachen Bandes aus dünnem Metallblech und eines gewellten Bandes aus einem anderen dünnen Metallblech in Spiralform oder in Laminatform zu einem mehrschichtigen Körper unter Ausbil dung vieler netzwerkartiger Gasflußpassagen entlang der Mittelachse desselben herstellbar ist, dadurch gekennzeich net, daß das gewellte Band (10) mehrere Stufen und Vertie fungen zwischen den Stufen aufweist, die das flache Band (20) berühren, wobei das flache Band (10) so geformt ist, daß eine Form-Einheit des gewellten Bandes (20) zwischen zwei Erhebungen und einer einzelnen Vertiefung länger als eine virtuelle Sinuskurve ist.

2. Trägerkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Form-Einheit des gewellten Bandes (20) zumindest eine Stufe aufweist.

3. Trägerkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Form-Einheit des gewellten Bandes (20) im wesentli chen eine Semi-Omega-Form aufweist.

4. Trägerkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er ferner ein rohrförmiges Metallgehäuse (2) aufweist, wobei der mehrschichtige Körper (1) in das rohrförmige Me tallgehäuse (2) eingebracht ist.