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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren
zur Beschichtung eines Substrats, und insbesondere eine Vorrichtung
und ein Verfahren monolithische Substrate mit einem katalytischen
Material zu tränken.
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Beschreibung des Standes der
Technik
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Katalysatoren
sind gut dafür
bekannt, schädliche
Bestandteile aus Abgasen zu entfernen und/oder umzuwandeln. Katalysatoren
weisen eine Vielzahl von Konstruktionen zu diesem Zweck auf. In einer
Form umfasst der Katalysatoren das starre skelettartige monolithische
Substrat, auf welchem eine katalytische Beschichtung aufgebracht
ist. Der Monolith weist eine wabenkörperartige Struktur auf, welche
eine Vielzahl von länglichen
Kanälen,
typischerweise parallelen Kanälen,
aufweist, um einen katalytisch beschichteten Körper mit einer großen Oberfläche bereitzustellen.
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Das
starre, monolithische Substrat kann aus Keramiken oder anderen Materialien
gefertigt sein. Solche Materialien und ihre Konstruktion sind zum Beispiel
in den
US-Patenten Nr. 3,331,787 und
3,565,830 beschrieben. Alternativ
können
die Monolithe aus Metallfolie hergestellt werden.
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Das
monolithische Substrat und insbesondere die Vielzahl von Kanälen können mit
einer Aufschlämmung
aus einem katalytischen und/oder absorbierenden Material beschichtet
werden.
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Ein
Verfahren, ein vorgefertigtes monolithisches Substrat zu beschichten,
ist es, die Katalysatoraufschlämmung
in die jeweiligen Kanäle
zu pumpen und anschließend
das beschichtete Substrat einem Trocknungsverfahren zu unterwerfen.
Solche Systeme sind jedoch nicht geeignet, um eine gleichförmige Beschichtungsdicke
und ein gleichförmiges Beschichtungsprofil
bereitzustellen, wobei die Katalysatorbeschichtung über die
gleiche Länge
jedes der Kanäle
abgeschieden ist.
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Es
wurde vorgeschlagen, ein Vakuum einzusetzen, um die Katalysatoraufschlämmung nach oben
durch die Kanäle
zu ziehen. Zum Beispiel offenbart Peter. D. Young,
US-Patent
Nr. 4,384,014 die Erzeugung eines Vakuums über dem
monolithischen Substrat, um die Luft aus den Kanälen zu entfernen und anschließend die
Katalysatoraufschlämmung nach
oben durch die Kanäle
zu ziehen. Das Vakuum wird anschließend aufgeho ben und der Überschuss der
Aufschlämmung
entfernt, vorzugsweise durch Schwerkraftentwässerung.
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James
R. Reed und andere,
US-Patent
Nr. 4,191,126 offenbart, das Eintauchen des monolithischen
Substrates in eine Aufschlämmung
und anschließend
den Einsatz eines Unterdrucks (subatmospheric pressure) um die überschüssige Beschichtungsaufschlämmung von
den Oberflächen des
Trägers
zu spülen.
Das angelegte Vakuum soll die Kanäle freilegen, so dass die Aufschlämmung über die
Oberflächen
jedes der Kanäle
gezogen wird.
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Eine
Verbesserung für
diese System ist in Thomas Shimrock und andere,
US-Patent Nr. 4,609,563 , offenbart.
Dieses System umfasst ein Verfahren der Vakuumbeschichtung von keramischen Substratelementen
mit einer Aufschlämmung
aus feuerfesten und/oder katalytischen Metallbestandteilen, wobei
präzise
gesteuerte, vorbestimmte Mengen der Aufschlämmung für das Aufbringen auf das keramische
monolithische Substrat dosiert werden. Das monolithische Substrat
wird in einen Behälter
gesenkt, welcher auch als ein Eintauchbehälter bekannt ist, vorzugsweise
mit vorbestimmten Abmessungen, bis zu einer vorbestimmten Tiefe,
welcher die präzise Menge
der Aufschlämmung
enthält,
welche auf das Substrat aufzubringen ist. Die Aufschlämmung wird anschließend durch
ein Vakuum hochgezogen, welches an das Ende des Substrates angelegt
wird, das dem in das Bad eingetauchte Ende gegenüberliegt. Kein Abfluss oder
Abspülen
der überschüssigen Beschichtungsaufschlämmung von
dem Substrat ist notwendig, noch muss in einem Schritt ein Vorvakuum
angelegt werden, um Luft zu eliminieren.
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Ein
weiter verbessertes Verfahren ist von Victor Rosynsky und anderen
in dem
US-Patent Nr. 5,866,210 mit dem
Titel „METHOD
FOR COATING A SUBSTRATE" offenbart.
In dieser Druckschrift ist ein Vakuuminfusionsverfahren zur Beschichtung
monolithischer Substrate offenbart, wobei jeder der Kanäle, welche
das Substrat umfasst, mit der gleichen Dicke der Beschichtung beschichtet
wird und durch ein gleichförmiges
Beschichtungsprofil gekennzeichnet ist, wobei jeder Kanal des Substrates über die
gleiche Länge
beschichtet ist. Insbesondere betrifft das Verfahren ein Vakuuminfusionsverfahren
zur Beschichtung eines Substrats mit einer Vielzahl von Kanälen mit
einem Beschichtungsmedium, umfassend:
- a) teilweises
Eintauchen des Substrates in einen Behälter, welcher ein Bad des Beschichtungsmediums
enthält,
wobei der Behälter
eine Menge des Beschichtungsmedium enthält, welche ausreichend ist,
um das Substrat mit ei nem gewünschten
Maß zu
beschichten, ohne das Maß des
Beschichtungsmediums innerhalb des Behälters auf unter das Maß des eingetauchten
Substrats zu reduzieren;
- b) Anlegen eines Vakuums auf das teilweise eingetauchte Substrat
mit einer Intensität
und über einen
Zeitraum, welche ausreichend sind, um das Beschichtungsmedium nach
oben aus dem Bad in jeden der Kanäle zu ziehen, um ein gleichförmiges Beschichtungsprofil
in diesen zu bilden; und
- c) Entfernen des Substrats aus dem Bad.
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Gegebenenfalls
wird, nachdem das Beschichtungsmedium auf das Substrat aufgebracht wurde
und das Substrat aus dem Bad entfernt wurde, weiterhin ein Vakuum
an das Substrat angelegt, mit einer gleichen Intensität oder mit
einer größeren Intensität als die
Intensität
des Vakuums, welche auf das teilweise eingetauchte Substrat angelegt
wurde. Nachdem das Vakuum angelegt wurde, wird das Substrat umgedreht
und von einem gegenüberliegenden
Ende beschichtet, wodurch zwei Beschichtungen mit gleichen Beschichtungsprofilen
erzeugt werden. Dieses Verfahren ist dafür bekannt, dass es die Überlappung
des Beschichtungsmediums reduziert.
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Eine Überlappung
der Beschichtungsverbindung ist für die Automobilindustrie besonders
problematisch. Der Überlappungsbereich
erhöht
den Deltadruck über
den Katalysator, welcher die Motorleistung und den Brennstoffverbrauch
negativ beeinflusst und den Verschleiß des Motors erhöht. Gleichermaßen problematisch
ist es, wenn die Beschichtungsverbindung in der Mitte ein Abstand
bzw. Lücke aufweist,
welche von einer unvollständigen
Bedeckung während
des Beschichtungsverfahrens resultiert. Diese kann auch die Katalysator-
und Motorleistung negativ beeinflussen. Wenn das Substrat jedoch umgedreht
wird, um beide Enden zu beschichten, ist es extrem schwierig sicherzustellen,
dass sich die Beschichtungsmaterialien nicht überlappen oder sich eine Lücke bildet.
Auch die geringste Menge der Überlappung
oder der Lücke
beeinflusst die katalytische Leistung negativ.
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Es
wäre daher
ein deutlicher Vorteil auf dem Gebiet der Beschichtung von monolithischen
Substraten und insbesondere von monolithischen Substraten, welche
in Katalysatoren verwendet werden, wenn jeder Kanal mit der gleichen
Beschichtungsdicke über
die gleiche Länge
beschichtet werden kann, ohne eine Überlappung oder Lücke hinsichtlich
der Beschichtungsmaterialen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung wird in den Ansprüchen definiert und stellt im
Allgemeinen ein System für
das Aufbringen einer katalytischen Zusammensetzung in den Innenraum
eines hohlen Substrates zur Verfügung,
wobei die Überlappung
oder die Lücke
der Beschichtungsaufschlämmung
eliminiert wird. Allgemein umfasst das System das Beschichten eines
Substrates mit einer Katalysatorzusammensetzung, indem das Substrat
in einen Behälter eingetaucht
wird, welcher ein Bad der Beschichtungsaufschlämmung enthält, und Anlegen eines Vakuums
auf das teilweise eingetauchte Substrat mit einer Intensität und mit
einer Dauer, welche ausreichend sind, um die Beschichtungsaufschlämmung nach
oben aus dem Bad in jeden einer Vielzahl von Kanälen zu ziehen, welche in dem
Inneren des hohlen Substrats angeordnet sind; Entfernen des Substrates
aus dem Bad; Rotieren des Substrates um 180°; und Anlegen eines Luftstrahls
aus unter Druck gesetzter Luft auf das Substrat mit einer Intensität und über eine
Dauer, welche ausreichend sind, um die Beschichtungsaufschlämmung innerhalb
der Kanäle
des Substrates zu verteilen, um darin ein gleichmäßiges Beschichtungsprofil
auszubilden.
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Der
Ausdruck „gleichmäßiges Beschichtungsprofil" wie hier verwendet,
bedeutet, dass jeder Kanal des Substrates über die gleiche Länge beschichtet
wird. Vorteilhafterweise stellt die vorliegende Erfindung ein System
zur Verfügung,
wobei die Überlappung
oder die Lücke
der katalytischen Zusammensetzung auf dem Substrat vollständig eliminiert
wird. Dies stellt deutliche Vorteile für Katalysatoren zur Verfügung. Zunächst kann
ein weniger edles Metall verwendet werden, da die katalytische Zusammensetzung
gleichmäßig über das
Substrat verteilt wird. Zweitens gibt es eine präzisere Steuerung über die
Anordnung des Katalysators, welche besonders vorteilhaft ist, wenn
eine Vielzahl von Katalysatorbeschichtungszusammensetzungen verwendet
werden. Drittens kann aufgrund der Entfernung der Überlappung
oder der Lücke
die Dicke der Beschichtung präzisier
gesteuert werden, insbesondere bei Einsatz einer Vielzahl von Beschichtungen.
Eine Beständigkeit
gegenüber
dem Fluss der Gase, welche durch das Substrat behandelt werden sollen,
wird hierdurch reduziert, was zu einer besseren Steuerung über die Kanäle und weniger
starkem Druckverlusten durch die Kanäle führt. Wenn solche Substrate
als Katalysatoren verwendet werden, wird die Motorleistung nicht
verschlechtert. Wie hier verwendet soll der Ausdruck „Vakuuminfusion" im Allgemeinen das
Anlegen eines Vakuums bedeuten, um eine Beschichtungsaufschlämmung in
eine Vielzahl von Kanälen
innerhalb eines monolithischen Substrats einzuziehen.
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In
einem Gegenstand der vorliegenden Erfindung, wie in Anspruch 1 definiert,
wird ein Verfahren zur Aufbringung einer katalytischen Zusammensetzung
auf das Innere eines hohlen Substrates bereitgestellt, umfassend:
Beschichten eines Substrates mit einer vorbestimmten Menge einer
katalytischen Zusammensetzung; Rotieren des Substrates um 180°; und Anlegen
eines Luftstrahles auf das Substrat um die katalytische Zusammensetzung
in diesem zu verteilen. Katalysatoren, welche gemäß der vorliegenden
Erfindung erzeugt werden, zeigen weniger Gewichtszunahme bei Feuchtigkeit
und weisen eine höhere
Variabilität
der Edelmetalle auf, was zu einem erhöhten Produktionsausstoß führt und
zu geringeren Kosten, die durch die Verwendung von Edelmetallen
erzeugt werden. Vorteilhafterweise weisen Kraftfahrzeuge, welche
diese Materialien verwenden, einen verringerten Kraftstoffverbrauch
auf, da ein viel geringerer Druckverlust über den Katalysator auftritt als
bei Katalysatoren, welche eine Überlappung
oder eine Lücke
der katalytischen Zusammensetzung aufweisen.
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Die
vorliegende Erfindung stellt auch eine Vorrichtung nach Anspruch
11 zur Beschichtung eines Substrates mit einer katalytischen Zusammensetzung
bereit. Die Vorrichtung umfasst eine Beschichtungsstation umfassend
einen Eintauchbehälter
enthaltend eine kontinuierliche Zufuhr einer Beschichtungsaufschlämmung, eine
Vakuumdüse,
welche operativ eingesetzt wird, um ein Vakuum auf das Substrat
anzulegen, eine aufblasbare Klemme bzw. aufblasbare Blasenklemme
(bladder clamp) zum Unterstützen
bzw. Tragen und Rotieren des Substrates, und eine Luftstrahlstation,
um einen Luftstrahl aus unter Druck gesetzter Luft auf das Substrat
anzulegen. Die Vorrichtung kann des Weiteren einen beweglichen Aufbau
bzw. Plattform umfassen, um das Substrat zwischen den Stationen
zu bewegen, und einen Roboter, um das Substrat automatisch auf die Vorrichlung
zu legen und von der Vorrichtung zu entfernen. Vorteilhafterweise
ist die Vorrichtung hoch automatisiert und wirkungsvoll, wodurch
sie in der Verwendung billiger und zuverlässiger wird als bekannte Vorrichtungen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
Erfindung wird deutlicher und ihre weiteren Vorteile werden klar,
wenn auf die folgende detaillierte Beschreibung und die begleitenden
Zeichnungen Bezug genommen wird, wobei:
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1 ein
schematisches Flussdiagramm des Systems darstellt, welches das Anlegen
eines Vakuums mit niedriger und hoher Intensität auf ein Substrat, eine 180°-Rotation
des Substrates und das Anlegen eines Luftstrahles darstellt;
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2 eine
Seitenansicht zeigt, welche die Beschichtungsstation darstellt,
wobei die Vakuumhaube über
ein Substrat abgesenkt ist, welches in einem Eintauchbehälter eingetaucht
ist;
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3 eine
Draufsicht auf eine aufblasbare Blasenklemme gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt;
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4 eine
Draufsicht auf einen Roboterarm zum Beladen und Entladen eines Substrates
darstellt;
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5 eine
Seitenansicht einer Luftstrahlstation gemäß der vorliegenden Erfindung
zeigt;
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6 eine
Vorderansicht einer Luftstrahlstation zeigt, welche geeignet ist,
zwei monolithische Substrate aufzunehmen;
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7 eine
Draufsicht zeigt, welche ein System mit fünf Stationen darstellt, einschließlich zweier Wiegestationen;
wobei eine zwischen der Belade-/Entladestation
und der Beschichtungsstation angeordnet ist, und die andere zwischen
der Luftstrahlstation und der Belade-/Entladestation angeordnet ist;
und
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8 eine
Seitenansicht einer Wiegestation gemäß der vorliegenden Erfindung
darstellt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein verbessertes System zum Aufbringen
einer katalytischen Zusammensetzung auf ein Substrat, wodurch die
katalytische Zusammensetzung gleichförmig auf die Innenfläche des
Substrates aufgebracht wird. Das System der vorliegenden Erfindung
kombiniert die Vakuuminfusionsbeschichtung mit einer Luftstrahlvorrichtung
um ein gleichförmig
beschichtetes Substrat ohne Lücke
oder Überlappungen
der katalytischen Zusammensetzung im Inneren des Substrates bereitzustellen.
Als eine Konsequenz der vorliegenden Erfindung wird der Ausstoß der Produktion
erhöht
und weniger Edelmetall ist in der katalytischen Zusammensetzung
erforderlich, wodurch ein Katalysator mit höherer Qualität billiger
herzustellen ist. Des Weiteren zeigen Kraftfahrzeuge, welche die
Katalysatoren der vorliegenden Erfindung verwenden, einen verringerten
Kraftstoffverbrauch, wodurch diese Materialien für die Kraftfahrzeugindustrie
attraktiver werden.
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Insbesondere
umfasst das System der vorliegenden Erfindung das Beschichten eines
Substrates mit einer Katalysatorzusammensetzung durch Eintauchen
des Substrates in einen Behälter,
welcher ein Bad der Beschichtungsaufschlämmung enthält, und Anlegen eines Vakuums
auf das teilweise eingetauchte Substrat mit einer Intensität und über eine
Dauer, welche ausreichend sind, um die Beschichtungsaufschlämmung aus
dem Bad nach oben in jeden einer Vielzahl von Kanälen zu ziehen,
welche im Inneren des hohlen Substrates angeordnet sind; Entfernen
des Substrates aus dem Bad; Rotieren des Substrates um 180°; und Anlegen
eines Strahl aus unter Druck gesetzter Luft an das Substrat mit
einer Intensität
und über
eine Dauer, welche ausreichend sind, die Beschichtungsaufschlämmung im Inneren
der Kanäle
des Substrates zu verteilen, um darin ein gleichförmiges Beschichtungsprofil
zu bilden.
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Bezug
nehmend auf 1 der Zeichnungen ist ein schematisches
Diagramm eines Systems dargestellt, welches die Prinzipien der vorliegenden
Erfindung verkörpert.
Allgemein ausgeführt
wird ein monolithisches Substrat 21 in eine katalytische
Zusammensetzung eingetaucht, ein Vakuum mit niedriger Intensität wird angelegt,
das Substrat wird aus der Beschichtungsaufschlämmung entfernt und ein Vakuum
mit höherer
Intensität
wird angelegt. Anschließend
wird das Substrat um 180° rotiert
und ein Luftstrahl wird angelegt. Dies wird in einer Beschichtungsstation
und einer Luftstrahlstation durchgeführt, welche gleichzeitig ein,
zwei oder mehrere Substrate beschichten können. Das System kann so aufgebaut sein,
dass eine menschliche Bedienungsperson das Substrat manuell zwischen
den Stationen bewegt, oder alternativ, mit einer verfahrbaren Plattform,
welche das Substrat zwischen den Stationen befördert (nachfolgend im Detail
beschrieben). In diesem Fall treibt ein elektrischer Motor die bewegliche
Plattform an.
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Das
Verfahren des Bereitstellens des beschichteten katalytischen Substrates
wird kurz wie folgt beschrieben: Die Bedienungsperson definiert Systemparameter
(das heißt,
die Tiefe des Eintauchen des Substrates in die Beschichtungsaufschlämmung, Dauer
und Intensität
des Vakuums und Luftstrahls, Zeitraum in jeder Teilstation etc.),
stellt das System ein, um zu spezifischen Parameter zu passen und
drückt
einen Start-Knopf auf einer Steueranlage (nicht dargestellt). Ein
Roboter oder eine menschliche Bedienungsperson nimmt ein hohles Substrat,
welches an beiden Enden offen ist, und führt dies zu einer Blasenklemme,
welche sich aufbläst,
um die Peripherie des Substrates abzudichten und das Substrat an
Ort und Stelle zu halten. Die Blasenklemme ist mit einer Plattform
verbunden, welche dazu dient, das Substrat zwischen unterschiedlichen Stationen
innerhalb des Systems zu bewegen. Wenn eine menschliche Bedienungsperson
das Substrat zwischen den Stationen bewegt, weist jede der unterschiedlichen
Stationen eine eigene Blasenklemme auf, um das Substrat zu sichern.
Unter der Annahme, dass eine verfahrbare Plattform verwendet wird,
befördert
die Plattform die aufgeblasene Blasenklemme zu der Beschichtungsstation,
in welcher der Eintauchbehälter
eine vorbestimmte Höhe
nach oben bewegt wird, wodurch das Substrat mit einer vorgegebenen
Tiefe eintaucht. Ein niedriges Vakuum wird angelegt, um die Aufschlämmung aus
dem Eintauchbehälter
nach oben durch das Innere des Substrates zu ziehen. Das Substrat
wird anschließend
aus dem Eintauchbehälter
gehoben, ein hohes Vakuum wird angelegt, und das Substrat um 180° rotiert.
Zu diesem Zeitpunkt werden das Substrat und die Plattform zu einer
Luftstrahlstation befördert,
in welcher sich die obere und aufnehmende Haube einer Luftstrahlstation
um das Substrat schließt,
und ein Luftstrahl wird an das Substrat angelegt, um die Beschichtungsaufschlämmung über die
unbeschichteten Teile des Substrates zu verteilen. Nach dem Luftstrahlen öffnen sich
die oberen und aufnehmenden Hauben der Luftstrahlstation und die
Blasenklemme und die Plattform schreitet zu der Belade-/Entladestation
fort, in welcher die Blasenklemme entleert wird und das Substrat
aus dem System entfernt wird.
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Während das
gesamte System allgemeinen in 1 dargestellt
ist, kann es besser verdeutlicht werden, indem auf eine Anzahl von
Stationen Bezug genommen wird, welche das Gesamtsystem bilden. Natürlich kann
jede dieser Stationen mit computerunterstützten Steuerung versehen sein,
um eine automatische Wirkung zu erzielen, wenn das System anfänglich von
einer Bedienungsperson programmiert wurde. Eine geeignete Vorrichtung
zur Beschichtung von Substraten gemäß der vorliegenden Erfindung wird
von MPT Technologies Inc., Brecksville, Ohio, hergestellt. Bezug
nehmend auf 2 zeigt diese eine perspektivische
Ansicht einer Beschichtungsstation, die in der vorliegenden Erfindung
eingesetzt wird. Allgemein umfasst die Beschichtungsstation 11 ein
Vakuum, welches über
eine Vakuumpumpe 18 durch eine Leitung 10 einer
Vakuumhaube 12 zugeführt
wird, welche operativ mit dem Substrat verbunden ist, wenn das Substrat
in Kontakt mit der Beschichtungsaufschlämmung angeordnet ist. Ein Eintauchbehälter 14 enthält eine
kontinuierlich zirkulierende Beschichtungsaufschlämmung, die
aus einem Lagerbehälter
erhalten wurde, um das Substrat zu beschichten. Gemäß der vorliegenden
Erfindung stellt ein Einlassrohr den kontinuierlichen Fluss der Beschichtungsaufschlämmung aus
einem Aufschlämmungsbehälter (nicht
dargestellt) zu dem Eintauchbehälter 14 sicher.
Ein Auslassrohr stellt den kontinuierlichen Fluss der Beschichtungsaufschlämmung aus
dem Eintauchbehälter
zu einem Aufschlämmungsrückgewin nungsbehälter (nicht
dargestellt) sicher. Auf diese Weise kann die Beschichtungsaufschlämmung zurückgewonnen
und in den Eintauchbehälter 14 zurückgeführt werden,
wodurch die Kosten, die mit der Bereitstellung einer frischen Beschichtungslösung für das System,
reduziert werden. Eine Reihe von Ventilen können an den Einlass- und Auslassrohren
angeordnet sein, um den Fluss der Aufschlämmung zu regulieren. Die Beschichtungsaufschlämmung muss
nicht dosiert werden um eine exakte Menge der Beschichtungsaufschlämmung in
dem Eintauchbehälter 14 bereitzustellen. Stattdessen
wird ein kontinuierlicher Fluss der Beschichtungsaufschlämmung zu
dem Eintauchbehälter 14 bereitgestellt.
Vorzugsweise ist der Eintauchbehälter 14 mit
einem U-förmigen
Anschluss bzw. Aufnahme versehen, welcher an den Umfang des Eintauchbehälters 14 angrenzt
und dazu dient, jeden Überlauf
der Aufschlämmung
zu dem Auslassrohr zu führen.
Der Eintauchbehälter 14 ist
operativ mit einem Fahrwerk verbunden, welches von einem Servomotor
angetrieben wird, welches dazu dient, den Eintauchbehälter 14 entlang
der vertikalen Achse anzuheben und abzusenken, um das Substrat 21 darin einzutauchen
oder dieses daraus zu entfernen. Ein Computer steuert die vertikale
Bewegung des Eintauchbehälters 14,
um die Tiefe des Eintauchens des Substrates 21 in die Beschichtungsaufschlämmung zu
steuern, um sicherzustellen, dass ein geeignetes Volumen 22 der
Beschichtungsaufschlämmung
dem Eintauchbehälter
zugeführt
wird, um das darin eingetauchte Ende des Substrates 21 zu
beschichten. Das Volumen der Beschichtungsaufschlämmung, welches
notwendig ist, das Substrat 21 gemäß der vorliegenden Erfindung
zu beschichten, basiert auf einer Vielzahl von Faktoren, wie im
Stand der Technik gut bekannt ist, einschließlich das Volumen des Substrates,
die erforderliche Aufschlämmungsbeladung,
die Viskosität
der Aufschlämmung,
etc.
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Die
Abmessungen und Form des Eintauchbehälters 14 können über einen
weiten Bereich variieren. Ein Eintauchbehälter mit einer einzigen Größe und Form
kann verwendet werden, um eine große Anzahl unterschiedlicher
Größen und
Formen von monolithischen Substraten zu beschichten. Daher ist der
Eintauchbehälter 14 in
der Lage, ein rechteckiges Substrat, wie auch ovale, polygone und
kreisförmige Substrate
aufzunehmen, welche von Zeit zu Zeit für spezielle Anwendungen verwendet
werden können.
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Wenn
die Vorrichtung eine Plattform einsetzt, um das Substrat zwischen
den Stationen zu befördern,
kann die Vorrichtung eine Belade-/Entladestation umfassen. Wie in 3 dargestellt,
besteht die Belade-/Entladestation aus einer Blasenklemme 400, welche
einen größeren Umfang
als das Substrat aufweist. Die Blasenklemme 400 ist mit
einem Luftzufuhreinlass (nicht dargestellt) ausgestattet, welche
es ermöglicht,
die Blase aufzu blasen, so dass das Innere 407 den Außenumfang
eines Substrates dichtend umgreift. Die Blasenklemme 400 ist
auch mit einem Luftzufuhrauslass versehen, welcher es ermöglicht, die
Blase zu entleeren, wenn notwendig. Vorzugsweise stimmen der Luftzufuhreinlass
und der Auslass miteinander überein.
Jeder dieser Einlässe
und Auslässe
kann computergesteuert sein, um ein automatisches Aufblasen und
Entleeren der Blasenklemme 400 zu ermöglichen. Die Blasenklemme 400 ist
permanent an der verfahrbaren Plattform durch geeignete Mittel,
wie Schrauben, Stifte, Klemmen oder dergleichen befestigt. Die Blasenklemme 400 dient
dazu, das Substrat zwischen den unterschiedlichen Stationen der
Vorrichtung zu bewegen. Es wird festgehalten, dass jede Form und
Art von Blasenklemme verwendet werden kann, solange sie die Form
des Substrates aufnimmt. Durch die Verwendung einer Blasenklemme
kann die Vorrichtung jedes Substrat beschichten, unabhängig von
der Größe der Form. Natürlich muss
die Vorrichtung keinen Roboter und die begleitende Belade-/Entladestation
einsetzen. Stattdessen kann auch eine menschliche Bedienungsperson
das Substrat manuell zwischen den unterschiedlichen Stationen bewegen.
In einer alternativen Ausführungsform
können
die Belade- und die Entladestationen getrennt voneinander sein,
und jeweils eine aufblasbare Blasenklemme aufweisen, wie oben beschrieben.
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Die
Blasenklemme ist auch mit einer Rotationseinrichtung verbunden,
welche dazu dient, das Substrat um 180° zu rotieren. Jede rotierende
Einrichtung kann verwendet werden, eine pneumatisch betriebene Rotationseinrichtung
ist jedoch bevorzugt. Ein solches Beispiel einer bevorzugten Rotationseinrichtung
wird von Shunk Corp., Deutschland hergestellt.
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Ein
Roboter kann verwendet werden, um das Substrat in die Vorrichtung
zu laden und aus der Vorrichtung zu entladen. 4 zeigt
eine Aufsicht auf einen Roboterarm, welcher in der vorliegenden
Erfindung verwendet werden kann. Jede Art einer Robotereinrichtung,
welche so aufgebaut ist, dass sie Gegenstände bewegen kann, kann verwendet
werden. Ein besonders geeigneter Roboter wird von Adept Corp., Cincinnati,
Ohio, vertrieben. Wie deutlich wird, ist der Roboter 300 geeignet,
das Substrat zu greifen und es so über einen bewegbaren Arm 302 zu
und von der Vorrichtung zu bewegen. Während der Roboter 300 so
dargestellt ist, dass er mit Scheren 301 versehen ist,
kann jede Endeinrichtung verwendet werden, welche geeignet ist,
die Substrate, die für
die Katalysatoren verwendet werden, zu umgreifen. Der Roboter 300 kann
auch mit einem Sehsystem ausgestattet sein, welches es ermöglicht,
dass der Roboter 300 das Substrat in der Beladestation
geeignet orientiert. Der Roboter 300 kann auch verwendet
werden, um das beschichtete Substrat aus der Vorrichtung zu entfernen.
Das heißt,
nachdem das Substrat beschichtet und einem Luftstrahl unterworfen
wurde, wird die verfahrbare Plattform zu der Belade-/Entladestation
befördert,
in welcher der Roboter 300 das beschichtete Substrat aus
der Blasenklemme 400 greift.
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Bezug
nehmend auf 5 der Zeichnungen ist eine Seitenansicht
einer Luftstrahlstation 12 dargestellt, welche in dem System
der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird. Eine geeignete Einheit
zur Durchführung
des Luftstrahles gemäß der vorliegenden
Erfindung wird von MPT Technologies Inc., Brecksville, Ohio hergestellt.
Die Luftstrahlstation umfasst im Allgemeinen eine obere Haube 200,
eine empfangende Haube 201, eine Luftzufuhr 207 und eine
stationäre
Rahmenstruktur 213. Eine Luftstrahlzufuhr 205 ist
an einem Ende mit dem Oberteil 204 der oberen Haube 200 verbunden
und dient dazu, eine Quelle unter Druck gesetzter Luft der oberen Haube 200 zuzuführen. Das
Oberteil der Luftstrahlzufuhr 205 steht über ein
Gewinde mit der Leitung 206 im Eingriff. Die Oberseite 204 der
oberen Haube 200 ist auch mit einem Fahrwerk 203 verbunden,
um entlang eines Stabes 216 auf der Vertikalen oder Z-Achse
bewegt zu werden. Das Fahrwerk 203 ist wiederum mit der
stationären
Rahmenstruktur 213 verbunden. Ein Servomotor (nicht dargestellt)
betreibt das Fahrwerk 203 geeignet entlang der vertikalen
Achse nach oben und unten, wodurch die obere Haube 200 und
die daran befestigte Luftstrahlzufuhr 205 geöffnet und
geschlossen wird. Die Leitung 206, welche aus jedem geeigneten
Material hergestellt sein kann, um unter Druck gesetzte Luft zu
befördern,
verläuft
zwischen der Luftstrahlzufuhr 205 und der Luftzufuhr 207.
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Die
empfangende Haube 201 ist geeignet, um das Substrat aufzunehmen.
Das Ablassrohr 209 für
die Aufschlämmung
erstreckt sich von einer Öffnung 208,
die an dem Boden der empfangenden Haube 101 angeordnet
ist. An dem gegenüberliegenden
Ende ist ein Ablassrohr 309 für die Aufschlämmung mit
einer Öffnung 210 verbunden,
die an dem Oberteil des Aufschlämmungsrückgewinnungsbehälters 211 angeordnet
ist. Der Aufschlämmungsrückgewinnungsbehälter 211 kann
mit einem Aufschlämmungsbehälter 34 der
Beschichtungsstation über Rohrsysteme
verbunden sein und gegebenenfalls kann ein Servomotor mit dem System
verbunden sein, um die verbrauchte katalytische Zusammensetzung
aus dem Aufschlämmungsrückgewinnungsbehälter 211 zu
dem Rückgewinnungsbehälter 34 zu bewegen,
um in dem System wiederverwendet zu werden. Die empfangende Haube 201 ist
mit einem Fahrwerk (nicht dargestellt) verbunden, welches die Bewegung
der empfangenden Haube 201 in der Vertikalen oder Z-Richtung
bereitstellt, wenn von einem Servomotor angetrieben, um die empfangende
Haube zu öffnen
und zu schließen.
In der geschlossenen Position steht die obere Haube 200 mit
einer Seite der Blasenklemme 400 abdichtend im Eingriff
und die empfangende Haube 201 steht mit der anderen Seite der
Blasenklemme 400 abdichtend im Eingriff, um eine Dichtung
zu bilden, welche, wie nachfolgend diskutiert, mit der unter Druck
gesetzten Luft von der Luftzufuhr 207 angefüllt werden
kann. In der offenen Position ist die obere Haube 200 ausreichend
weit von der empfangenden Haube 201 beabstandet, um ein
Beladen oder Entladen des Substrates zu ermöglichen.
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Die
Luftzufuhr 207 ist in einem Behälter enthalten, welcher normalerweise
aus Metall, Kunststoff oder einem anderen Material besteht, welches
geeignet ist, unter Druck gesetzte Luft zu halten. Der Behälter kann
wieder auffüllbar
sein, das heißt,
kann durch einen neuen Behälter
ausgetauscht werden, wenn der Inhalt verwendet wurde, oder kann
mit einer weiteren Luftzufuhr verbunden sein, welche Luft zur erneuten
Auffüllung
der Luftzufuhr 207 bereitstellt. Ein einstellbarer Regulator
(nicht dargestellt) ist mit der Luftstrahlstation 12 verbunden,
um den Druck in der Luftzufuhr 207 einzustellen. Wie zuvor
erwähnt,
verbindet die Leitung 206 die Luftzufuhr 207 mit
einer Luftstrahlzufuhr 205 und stellt so eine Durchgang
für die
Luft zur Verfügung,
um von der Luftzufuhr 207 zu der oberen Haube 200 bewegt
zu werden. Ein normalerweise offenes Zufuhrventil 215 ist
geeignet an der Luftzufuhr 207 befestigt und betreibt die
Leitung 206, um den Fluss der Luft in die Luftstrahlzufuhr 205 zu
regulieren. Wird daher ein Substrat auf der empfangenden Haube 201 angeordnet
und die obere Haube 200 geschlossen, um mit der empfangenden
Haube abdichtend im Eingriff zu stehen, stellt die Luftzufuhr 207 eine
regulierte Luftzufuhr über
das Ventil 215 und die Leitung 206 zu der Luftstrahlzufuhr 205 zur
Verfügung,
welche wiederum unter Druck gesetzte Luft in den Hohlraum bereitstellt,
welcher gebildet wird, wenn sich die obere Haube 200 in
der geschlossenen Position befindet. Dieser unter Druck gesetzte
Luftstrahl dient dazu, das Beschichtungsmaterial gleichförmig über das
Innere des Substrates zu verteilen und den Überschuss „abzublasen". Der Überschuss
der Beschichtungsaufschlämmung
durch die Schwerkraft aus dem Aufschlämmungsablassrohr 209 über die Öffnung 210 tritt
in den Aufschlämmungsrückgewinnungsbehälter 211 ein.
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6 zeigt
eine Vorderansicht einer Luftstrahlstation gemäß der vorliegenden Erfindung,
welche geeignet ist, gleichzeitig einen Luftstrahl aufzunehmen und
auf zwei beschichtete Substrate bereitzustellen. In dieser Darstellung
wird eine obere Haube von 220 dargestellt, die empfangende
Haube durch 221, die stationäre Rahmenstruktur durch 243 und
die Luftstrahlzufuhr und dessen begleitendes Fahrwerk als 225 und 223.
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Die
Leitung 226 verbindet die Luftstrahlzufuhr 225 mit
der Luftzufuhr (nicht dargestellt). Der Überschuss der Beschichtungsaufschlämmung, welcher
von dem Luftstrahl von dem Substrat „abgeblasen" wurde, wird von
dem Aufschlämmungsrückgewinnungsbehälter 230 über das
Aufschlämmungsablassrohr 229 gefangen.
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Die
Vorrichtung kann auch mit Wiegestationen ausgestattet sein, um das
Substrat vor dem Beschichten und nach dem Luftstrahl zu wiegen.
Durch das Wiegen des Substrates vor und nach der Beschichtung, kann
der Prozentanteil der Schwankung der Feuchtigkeitszunahme, das heißt, die
Gleichförmigkeit
des Beschichtungsverfahrens, bestimmt werden. 7 stellt
eine Aufsicht auf eine fünfstufige
automatische Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung zur Verfügung,
mit der Belade-/Entladestation 401, der Wiegestation 402,
der Beschichtungsstation 403, der Luftstrahlstation 404 und
der Wiegestation 405. 8 zeigt
eine Wiegestation, die für
das gleichzeitige Wiegen von zwei Substraten gemäß der vorliegenden Erfindung
geeignet ist. Im Allgemeinen ist die Wiegestation so aufgebaut,
dass sich, wenn die verfahrbare Plattform zu der Station befördert wird,
die Blasenklemme entleert. Unter der Plattform ist eine Einheit
angeordnet, welche eine Skala 501 und einen Servomotor 502 enthält, getragen
von dem stationären
Rahmen 504, welcher über
einen Stab 503 betrieben wird, um die Skala in einer vertikalen Richtung
entlang der Y-Achse anzuheben oder abzusenken. Wenn die Skala 501 nach
oben angehoben wird, berührt
sie den Boden des Substrates und ermöglicht das Wiegen des unbeschichteten
oder beschichteten Substrates. Nach dem Durchführen der Gewichtsberechnungen
wird die Skala 501 entlang des Stabes 503 abgesenkt.
Wenn die Gewichtsberechnungen vor dem Beschichten durchgeführt werden,
ruht das Substrat auf der Wiegeplattform, welche als eine Registerplattform
dient, um die vertikale Anordnung des Substrates zu bestimmen. Vorteilhafterweise
kann die vertikale Anordnung auf dem Substrat, berechnet an der
Wiegestation, in der Beschichtungsstation verwendet werden, um die
Tiefe des Eintauchens des Substrates in die Aufschlämmung zu
bestimmen. Die Wiegestation ist mit einer elektronischen Einrichtung
verbunden, welche das Gewicht des Substrates aufzeichnet. Wie in
den anderen hier beschriebenen Stationen kann die Wiegestation mit
wenigstens einem Computer aufgebaut sein, um jede der vorgenannten
Funktionen durchzuführen.
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Gemäs des Verfahrensgegenstandes
der vorliegenden Erfindung, wie oben beschrieben, kann eine menschliche
Bedienungsperson die Systemparameter vor der Durchführung des
Betriebes in einen Computer einprogrammieren. Wenn es programmiert ist,
setzt das System automatisch das Beschichtungsverfahren fort, bis
der Betrieb beendet sind oder von der Bedienungsperson neu definiert
werden. Ein Roboter oder eine menschliche Bedienungsperson setzt
manuell das unbeschichtete Substrat in die Belade-/Entladestation 13 ein,
in welcher sich die Blasenklemme 400 aufbläst, um das
Substrat sicher an Ort und Stelle zu halten, und die verfahrbare
Plattform bewegt das Substrat zu der Beschichtungsstation 11.
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Das
Beschichtungsverfahren, welches in der vorliegenden Erfindung verwendet
wird, ist grob von Victor Rosynsky und anderen,
US-Patent Nr. 5,866,210 beschrieben.
Dieses Verfahren wird in der vorliegenden Erfindung, wie unten beschrieben,
modifiziert. Wenn das Substrat zu der Beschichtungsstation befördert wird,
hebt sich der Eintauchbehälter
14,
welcher eine kontinuierliche Zufuhr der Beschichtungsaufschlämmung enthält, nach
oben, um die Unterseite der aufgeblasenen Blasenklemme gemäß einer
vorbeschriebenen Tiefe zu kontaktieren. Wie zuvor angegeben, wird
diese basierend auf einer Vielzahl von Faktoren bestimmt, wie dem
Volumen des Substrates, der geforderten Aufschlämmungsbeladung und Viskosität der Aufschlämmung etc..
Die Vakuumhaube bewegt sich nach oben, um mit einer Seite der Blasenklemme
abdichtend im Eingriff zu stehen, und der angehobene Eintauchbehälter steht mit
der anderen Seite der Blasenklemme abdichtend im Eingriff. Auf diese
Weise wird ein abgedichteter Hohlraum gebildet.
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Wenn
das Substrat in die Beschichtungsaufschlämmung eingeführt wird,
wird die Beschichtungsaufschlämmung
durch die Kapillarwirkung nach oben in die inneren Kanäle gezogen,
auch ohne das Anlegen eines Vakuums. Da ein ausreichendes Volumen
der Beschichtungsaufschlämmung
oberhalb des eingetauchten Endes des Substrates vorhanden ist, wird
die Kapillarwirkung gleichzeitig in allen Kanälen erzielt. Als ein Ergebnis
kann anfänglich
ein gleichförmiges
Beschichtungsprofil erhalten werden, auch in der Abwesenheit eines
Vakuums. Unabhängig
davon ist es notwendig, ein Vakuum mit niedriger Intensität anzulegen,
um die Beschichtungsaufschlämmung
weiter nach oben zu ziehen.
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Das
Vakuum mit niedriger Intensität
sollte auf nicht mehr als ungefähr
1 Inch Wasser gehalten werden. Wenn das Vakuum dieses Maß überschreitet, kann
die Gleichmäßigkeit
der Länge
und der Dicke der Beschichtung nicht sichergestellt werden. Die Dauer, über welche
das Vakuum mit niedriger Intensität angelegt wird, hängt von
der Gleichmäßigkeit und
Dichte der Beschichtungsaufschlämmung
und der Länge
der zu beschichtenden Kanäle
ab. In den meisten Fällen
wird das Vakuum mit niedriger Intensität zwischen ungefähr 1 bis
3 Sekunden angelegt. Vorteilhafterweise steigert die Dichtung zwi schen dem
Substratumfang und dem Inneren der Blasenklemme die Bewegung und
gesamte Gleichförmigkeit
der Beschichtungsaufschlämmung
in den Kanälen.
Wie zuvor angegeben, kann ein zweiter Vakuumbetrieb mit der gleichen
oder einer höheren
Intensität (das
heißt,
mehr als 1 Inch Wasser, typischerweise ungefähr 5 bis 15 Inches) angelegt
werden, nachdem die Vakuumhaube angehoben wurde und das Substrat
aus der Beschichtungsaufschlämmung
entfernt wurde. Die Dauer des zweiten Vakuumbetriebes liegt normalerweise
zwischen ungefähr
2 bis 4 Sekunden. In den meisten Fällen dauert der wenigstens
eine Vakuumbetrieb (das heißt,
die Summe des ersten und zweiten Vakuumbetriebes) nicht mehr als
eine Gesamtdauer von ungefähr
5 Sekunden. Das Substrat wird anschließend um 180° in der Blasenklemme rotiert
und in die Luftstrahlstation 12 eingereiht.
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Wenn
die Plattform die Luftstrahlstation 12 erreicht, wird die
obere Haube 200 abgesenkt und die empfangende Haube 201 angehoben,
um mit der oberen Haube 200 abdichtend im Eingriff zu stehen, um
einen Hohlraum zu bilden, in welchem das Substrat angeordnet ist.
Ein Luftstrahl, normalerweise unter Druck gesetzt mit zwischen ungefähr 20 bis
50 psi wird dem Substrat über
die Leitung 206 zugeführt. Die
Dauer des Luftstrahls liegt in dem Bereich von ungefähr 0,3 bis
ungefähr
0,5 Sekunden und beträgt typischerweise
ungefähr
0,3 Sekunden. Nach dem Luftstrahl wird die obere Haube 200 angehoben,
die untere Haube abgesenkt, und die Plattform schreitet zu der Belade- /Entladestation
fort, in welcher sich die Blasenklemme 400 entleert und
ein Roboter oder menschliche Bedienungsperson das Substrat entfernt.
Wie zuvor diskutiert, können
Wiegestationen vor der Beschichtungsstation und nach der Luftstrahlstation
angeordnet sein.
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Jedes
monolithische Substrat kann gemäß der vorliegenden
Erfindung beschichtet werden. Solche Substrate umfassen feine, parallele
Gasdurchflüsse,
die sich durch dieses hindurch erstrecken, von einer Einlassfläche zu einer
Auslassfläche
des Substrates, so dass die Kanäle
für den
Luftfluss offen sind, der von der Vorderseite eindringt und durch
das Substrat durchgeleitet wird und durch die Rückseite aus dem Substrat. Vorzugsweise
sind die Kanäle
im Wesentlichen von dem Einlass zu ihrem Auslass gerade, und werden
durch die Wände
definiert, auf welche eine Beschichtungsaufschlämmung als eine Waschcoat aufgebracht
wird, so dass die durch die Kanäle
fließenden
Gase die Beschichtungsaufschlämmung
kontaktieren. Die Durchflusskanäle
sind dünnwandige
Kanäle,
welche jede geeignete Querschnittsform und Größe aufweisen kann, wie trapezförmig, rechteckig,
quadratisch, sinusförmig,
hexagonal, oval, kreisförmig
oder geformt aus metallischen Bestandteilen, welche gewellt oder
flach sind, wie im Stand der Technik bekannt. Solche Strukturen
können
zwischen ungefähr
60 bis 1.200 oder mehr Gaseinlassöffnungen („Zellen") je Quadratinches im Querschnitt aufweisen.
Solche Strukturen sind zum Beispiel in den
US-Patenten Nr. 3,904,551 ;
4,329,162 und
4,559,193 offenbart.
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Beschichtungsaufschlämmungen,
welche gemäß der vorliegenden
Erfindung aufgebracht werden können,
können
weit variieren und umfassen, sind jedoch nicht begrenzt auf Katalysatorzusammensetzungen,
absorbierende Zusammensetzungen und deren Kombinationen, die herkömmlicher Weise
für die
Herstellung von Katalysatoren verwendet werden. Eine Vielzahl von
Beschichtungen mit unterschiedlichen Zusammensetzungen können auch
verwendet werden. Geeignete Beschichtungsaufschlämmungszusammensetzungen sind
zum Beispiel in den
US-Patenten
Nr. 5,057,483 ;
4,714,694 und
4,134,860 beschrieben.
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Nachdem
das Substrat aus dem System entfernt wurde, kann es getrocknet werden,
bevor das Substrat in einen Wärmebereich
gesandt wird, in welcher die Beschichtung gehärtet wird. Das Trocknen des
beschichteten Substrats kann auf jede geeignete Weise durchgeführt werden,
und kann durch das Anlegen eines Vakuums vereinfacht werden. Ein
besonders geeignetes Trocknungsverfahren ist in der anhängigen Anmeldung
US-Serial-Nr. 09/067,831 ,
angemeldet am 28. April 1998 mit dem Titel „Method for Drying a Coated
Substrate" beschrieben.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung kann ein Substrat innerhalb von 5 bis ungefähr 10 Sekunden beschichtet
werden, auch wenn Wiegestationen eingesetzt werden. Die Länge der
Verweildauer an einer einzigen Station kann variieren, und hängt ab von
der Beschichtungsart, der Beschichtungsdicke und dergleichen. In
einem 10-Sekunden-Zyklus kann daher eine einfach oder doppelt beschichtende
Vorrichtung ungefähr
360 Substrate je Stunde und 720 Substrate je Stunde beschichten. Ähnlich kann
ein 5-Sekunden-Zyklus
das Beschichten von 1.420 Substraten je Stunde ermöglichen,
wodurch das Verfahren sehr wirkungsvoll wird. Die Substrate werden
gleichmäßig beschichtet,
ohne Lücken
oder Überlappungen,
die bei dem Verfahren des Standes der Technik vorhanden sind, welche
erfordern, dass die gegenüberliegenden
Enden des Substrates in die Beschichtungsaufschlämmung eingetaucht werden. Des
Weiteren zeigen die gemäß der vorliegenden
Erfindung beschichteten Substrate einen geringeren Feuchtigkeitszugewinn
und Edelmetallvariabilität,
welches die Zuverlässigkeit
zeigt, und die deutlich nied rigeren Kosten der vorliegenden Erfindung.
Zum Beispiel betrug vor der vorliegenden Erfindung die Schwankung der
Feuchtigkeitszunahme zwischen dem beschichteten Substraten ungefähr 10 bis
15%. Substrate, die gemäß der vorliegenden
Erfindung beschichtet werden, zeigen dagegen nur ungefähr 2,6%
Schwankung der Feuchtigkeitszunahme. Ähnlich betrug vor der vorliegenden
Erfindung der Gradient des gesamten Edelmetalls innerhalb eines
Substrates ungefähr 10
bis 20%, wohingegen Substrate, die hier beschrieben werden, weniger
als 5% Edelmetallgradienten zeigten. Als solches wird das Edelmetall
gleichmäßig über das
Substrat verteilt, und stellt somit eine kontrollierte Edelmetallbeschichtung
zur Verfügung.