DE69103258T2

DE69103258T2 - Wabenförmiger Katalysator-Trägerkörper.

Info

Publication number: DE69103258T2
Application number: DE69103258T
Authority: DE
Inventors: Yasushi Ishikawa; Hiroshi Iwami; Tohru Saito
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1989-09-14
Filing date: 1991-05-23
Publication date: 1995-05-11
Anticipated expiration: 2011-05-24
Also published as: DE69103258D1; JPH03101841A; EP0514572B1; EP0514572A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Katalysator für ein Automobil und insbesondere einen Trägerkörper, auf dem ein katalytisches Material gehalten wird. Die Erfindung betrifft insbesondere Katalysator-Trägerkörper aus Metallblechen, die durch ein verbessertes Verbindungsverfahren fest miteinander verbunden werden.
Ein wabenförmiger Körper aus auf Cordierit basierendem keramischem Material wird gegenwärtig weit verbreitet als Träger eines Katalysatormaterials für einen Katalysator zum Reinigen von aus einem Verbrennungsmotor eines Automobils ausgestoßenen Auspuffgasen verwendet. Bei einem derartigen Katalysatorträger besteht jedoch ein Nachteil darin, daß er, weil er aus einem spröden keramischen Material hergestellt ist, sehr leicht beschädigt werden kann, wenn er mechanisch erschüttert wird. Daher wurde ein Katalysatorträger vorgeschlagen, bei dem an Stelle des keramischen Materials ein Metallmaterial verwendet wird.
Um einen solchen Metallmaterialträger herzustellen, wird zunächst ein Blech aus einem Metallmaterial, wie beispielsweise rostfreier Stahl oder ein oxidationsbeständiger hochlegierter Stahl, mit einer Dicke von ca. 40 um erhalten, wobei anschließend eine fortlaufende Bahn eines glatten Blechs um einen Kern gewickelt wird, während eine fortlaufende Bahn eines gewellten Blechs an der Oberfläche des glatten Blechs befestigt wird, um dadurch eine Wabenstruktur herzustellen. Alternativ werden ein vorgegebener Abschnitt einer glatten Blechbahn und ein vorgegebener Abschnitt einer gewellten Blechbahn aufeinanderlaminiert, um eine Wabenstruktur zu erhalten. Die erhaltene Wabenstruktur wird in einem Außengehäuse angeordnet, das aus rostfreiem Stahl oder aus einem oxidationsbeständigen hochlegierten Stahl mit einer Dicke von 1 bis 2 mm gebildet wird. Während der Herstellung der Wabenstruktur wird an Abschnitten, an denen die Bleche miteinander in Kontakt stehen, ein Lötmaterial aufgebracht. Schließlich wird der im Gehäuse angeordnete wabenförmige Körper in einem Vakuum erwärmt, um den zum Verbinden der Wabenstruktur mit der Innenwand des Außengehäuses erforderlichen Verlötungsprozeß durchzuführen und die glatten Bleche und die gewellten Bleche an den Abschnitten, an denen diese Bleche miteinander in Kontakt stehen, zu verbinden.
Durch diesen Lötverbindungsprozeß wird die Wabenstruktur zu einer starren Struktur, weil die die Wabenstruktur bildenden Bleche an Punkten entlang der Gesamtlänge der Lagen der Wabenstruktur miteinander verbunden sind. Wenn diese Struktur für einen in einem Auspuffrohr eines Fahrzeugs eingebauten Katalysator verwendet wird, können sich an der Wabenstruktur an Stellen in der Nähe des Außengehäuses Beanspruchungen konzentrieren, die eine Trennung oder ein Aufbrechen der miteinander in Kontakt stehenden Abschnitte der Bleche hervorrufen, weil der Träger nicht nur durch eine darauf ausgeübte Vibration, wenn das Fahrzeug sich bewegt, sondern auch durch einen thermischen Kreislauf, der durch wiederholtes schnelles Erwärmen und rasches Abkühlen erzeugt wird, einer starken thermischen Beanspruchung ausgesetzt ist. Eine solche thermische Beanspruchung wird im wesentlichen durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungsgrade des Außengehäuses und der Wabenstruktur an dessen Außenabschnitt hervorgerufen. Um diese Schwierigkeit zu beseitigen, wird daher eine teilweise verbundene Struktur vorgeschlagen, bei der die Bleche an einer begrenzten Anzahl von Punkten entlang der Gesamtlänge der Lagen der Wabenstruktur verbunden sind, um dadurch einen weniger starren Aufbau zu erhalten. Bei dieser verbesserten Struktur ergibt sich jedoch ein Nachteil dadurch, daß das Verfahren zum Herstellen einer solchen Struktur sehr kompliziert ist, weshalb dieser Vorschlag nicht praktisch ist, um die herkömmlich auftretenden Probleme zu lösen. Außerdem ist das herkömmliche Verfahren teuer, weil das Lötmaterial und das Verfahren zum Ausführen des Verlötens teuer sind.
Daher wurden verschiedene Verfahren vorgeschlagen, um die vorstehend erwähnte Schwierigkeit zu beseitigen. Bei einem solchen verbesserten Verfahren werden die Lagen anstelle des Lötverfahrens miteinander verbunden, indem eine hochdichte Energiequelle, wie beispielsweise ein Laserstrahl oder ein Elektronenstrahl oder ein Widerstandschweißverfahren verwendet wird. In der JP-A-62-71547 wird beispielsweise ein Verfahren beschrieben, bei dem die glatte Blechbahn und die gewellte Blechbahn, die einander gegenüberliegend angeordnet werden, zunächst durch Punktschweißen verbunden werden, woraufhin die derart verbundenen Blechbahnen spiralförmig auf einen Kern aufgewickelt werden, um dadurch eine Wabenstruktur zu erhalten. Bei diesem Aufbau werden starre Verbindungen zwischen der glatten Blechbahn und der gewellten Blechbahn nur in jeder der Lagen erhalten, die eine Wabenstruktur bilden, wodurch zwischen den Lagen, die die Wabenstruktur bilden, keine starre Verbindung der Bleche erhalten wird. Dadurch wird, wenn die Wabenstruktur in einer Strömung des Auspuffgases angeordnet wird, das behandelt wird, um giftige Komponenten daraus zu entfernen, eine auf die Wabenstruktur ausgeübte axiale Kraft erzeugt, die die Lagen teleskopartig verschiebt. In der JP-A-64-40180 wird ein anderes herkömmliches Widerstandschweißverfahren beschrieben, das durch parallel angeordnete Elektrodeneinheiten durchgeführt wird, wobei jede Einheit zwei außerhalb der Wabenstruktur angeordnete Elektroden aufweist. Bei diesem Verfahren entsteht jedoch ein Nachteil darin, daß der Schweißprozeß nur in einem begrenzten Bereich des Kernumfangs ausgeführt werden kann, die Anzahl der Elektroden, die angeordnet werden können, begrenzt ist, der Schweißprozeß und der Wicklungsvorgang einander ausschließend und getrennt ausgeführt werden müssen und das Schweißen nur diskontinuierlich ausgeführt werden kann, wodurch die Herstellungszeit verlängert und die Produktivität verringert wird.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Katalysator-Träger mit einer aus Metallblechen gebildeten Wabenstruktur bereitzustellen, durch den der vorstehend erwähnte Nachteil beseitigt werden kann.
Ferner wird ein Katalysator-Träger mit einer aus Metallblechen gebildeten Wabenstruktur und mit einer flexiblen Struktur bereitgestellt, durch die eine axiale teleskopartige Verschiebung der die Wabenstruktur bildenden Lagen verhindert wird, wenn die Wabenstruktur einer zu behandelnden Gasströmung ausgesetzt ist.
Außerdem wird ein Katalysator-Träger mit einer aus Metallblechen gebildeten Wabenstruktur bereitgestellt, der eine geringere thermische Beanspruchung erfährt, wenn er mit einem zu behandelnden Hochtemperaturgas in Berührung kommt.
Darüber hinaus wird ein Katalysator-Träger mit einer aus Metallblechen gebildeten Wabenstruktur bereitgestellt, der in einem Katalysator für ein Automobil verwendet werden kann und der eine hohe Haltbarkeit aufweist, wenn die Wabenstruktur in einem Gehäuse angeordnet ist.
Erfindungsgemäß wird ein Katalysator-Träger mit einer Wabenstruktur bereitgestellt, wobei die Struktur mehrere Lagen aufweist, die jeweils aus einem glatten Blech und mindestens einem gewellten Blech mit einer geringeren Breite als diejenige des glatten Blechs gebildet werden, wobei das gewellte Blech derart mit einer Oberfläche des glatten Blechs stabil verbunden ist, daß seitlich auf der Oberfläche des glatten Blechs mindestens ein nicht durch das gewellte Blech abgedeckter Abschnitt gebildet wird, wobei die Lagen so angeordnet sind, daß zwischen dem gewellten Blech einer Lage und einem nicht durch ein gewelltes Blech abgedeckten Abschnitt eines glatten Blechs an der gegenüberliegenden Fläche der angrenzenden Lage ein direkter Kontakt erhalten wird, so daß zwischen den angrenzenden Lagen in mindestens einer Seitenrichtung ein Eingreifen der gewellten Bleche erreicht wird, um dadurch ein Verschieben der angrenzenden Lagen entlang dieser Richtung zu verhindern.
Die erfindungsgemäßen Bleche werden aus Materialien, wie beispielsweise rostfreiem Stahl, Aluminium oder wärmebeständigem hochlegiertem Metall basierend auf Fe-Cr-Al mit einer Dicke von weniger als 100 um und vorzugsweise ca. 50 um hergestellt. Die Breite des glatten Blechs, die der axialen Länge einer vollständigen Wabenstruktur entspricht, hängt von der Gestaltung des zu erhaltenden Produkts ab, beträgt jedoch im allgemeinen weniger als 150 mm. Die Breite des gewellten Blechs kann frei gewählt werden, so lange sie kleiner ist als diejenige des glatten Blechs.
Erfindungsgemäß wird eine Wabenstruktur durch mehrere Lagen gebildet, die jeweils aus einem glatten Blech und einem mit dem glatten Blech verbundenen gewellten Blech bestehen, wobei die Breite des gewellten Blechs geringer ist als diejenige des glatten Blechs. Das gewellte Blech wird so angeordnet, daß ein durch ein gewelltes Blech abgedeckter Abschnitt und ein nicht durch ein gewelltes Blech abgedeckter Abschnitt abwechselnd auf einer Oberfläche eines glatten Blechs angeordnet werden, wobei die gewellten Bleche durch ein Verfahren, wie beispielsweise durch Punktschweißen, mit den glatten Blechen verbunden sind. Diese Lagen werden aus fortlaufenden Blechbahnen gebildet, um dadurch eine spiralförmige Wabenstruktur zu bilden. Alternativ sind diese Lagen getrennt voneinander und aufeinanderlaminiert, um eine Wabenstruktur herzustellen. Bei der Wabenstruktur wird ein direkter Kontakt zwischen einem gewellten Blech und einem glatten Blech in einer Lage und einem nicht durch ein gewelltes Blech abgedeckten Flächenabschnitt eines glatten Blechs in der nächsten Lage erhalten, so daß jegliche wechselseitige Bewegung zwischen den Lagen verhindert wird.
Wenn eine solche Wabenstruktur gebildet wird, befindet sich jedes gewellte Blech in einer Lage in einem direkten Kontakt mit einem Abschnitt der Oberfläche einer angrenzenden, nicht durch ein gewelltes Blech abgedeckten Lage, so daß die gewellten Bleche benachbarter Lagen seitlich miteinander in Eingriff stehen und dadurch in der gleichen Ebene angeordnet sind, wobei zwischen den Lagen keine feste Verbindung der Bleche vorhanden ist. D.h., ein gewelltes Blech in einer Lage wird nicht an einem gegenüberliegenden glatten Blech oder an einem seitlichen gewellten Blech der angrenzenden Lage angeschweißt, wodurch ein hochflexibler Aufbau der Wabenstruktur erhalten und gleichzeitig eine wechselseitige Verschiebung der Lagen in mindestens einer Seitenrichtung verhindert wird.
Die Breite eines an einer Oberfläche eines glatten Blechs angeordneten und damit verbundenen gewellten Blechs, d.h. die Breite des durch das gewellte Blech nicht abgedeckten Abschnitts kann im allgemein einen ausgewählten Wert haben. Trotzdem ist es vorteilhaft, eine Wabenstruktur zu erhalten, indem Abschnitte des Bleches aufeinanderlaminiert oder fortlaufende Blechbahnen aufgewickelt werden, wobei ein gewelltes Blech in einer Lage eine Breite aufweist, die im wesentlichen der Breite eines durch das gewellte Blech nicht abgedeckten Abschnitts in der gegenüberliegenden Lage gleich ist, wodurch ein dichtes Eingreifen angrenzender Lagen erreicht wird, um so eine wechselseitige seitliche Bewegung der Lagen zu verhindern.
Eine Wabenstruktur kann durch Aufwickeln einer fortlaufenden glatten Blechbahn erhalten werden, während ein gewelltes Blech auf die gegenüberliegende Fläche des glatten Blechs aufgebracht und damit verbunden wird. In diesem Fall muß durch ein gewelltes Blech an einer Oberfläche des glatten Blechs ein Seitenabschnitt des glatten Blechs gebildet werden, der nicht durch ein gewelltes Blech abgedeckt wird während das gewellte Blech an der einen Oberfläche des glatten Blechs mit einem Abschnitt mit der gleichen Breite an der gegenüberliegenden Fläche des glatten Blechs ausgerichtet ist, der nicht durch ein gewelltes Blech abgedeckt ist, so daß keine Überlappung der gewellten Bleche an den gegenüberliegenden Flächen des glatten Blechs in einer Querrichtung davon vorhanden ist. Durch diesen Aufbau kann eine gewickelte Wabenstruktur erhalten werden, die stabil bzw. fest im Eingriff steht.
Eine Wabenstruktur kann außerdem aus aufeinanderlaminierten Blechabschnitten gebildet werden. In diesem Fall wird, wie bei der Herstellung einer Wabenstruktur aus einer spiralförmig aufgewickelten fortlaufenden Blechbahn, ein gewelltes Blech auf einer Oberfläche des glatten Blechs mit einem Abschnitt der gegenüberliegenden Fläche, der nicht durch das gewellte Blech abgedeckt ist, in Querrichtung des Blechs ausgerichtet, so daß zwischen gewellten Blechen an den entgegengesetzten Flächen eines glatten Blechs in dieser Querrichtung betrachtet keine Überlappung vorhanden ist. Trotzdem wird bei einem laminierten Aufbau der Wabenstruktur eine teilweise Überlappung gewellter Bleche zwischen gegenüberliegenden Flächen eines glatten Blechs zugelassen, so lange zwischen angrenzenden Lagen ein Aufbau aufrechterhalten wird, bei dem ein gewelltes Blech auf einer Oberfläche einer Lage einem Abschnitt der gleichen Breite an einer gegenüberliegenden Fläche in der nächsten Lage gegenüberliegt, der nicht durch die gewellten Bleche abgedeckt ist.
Erfindungsgemäß kann die starre Verbindung eines glatten Blechs mit einem gewellten Blech durch ein herkömmliches Verfahren, wie beispielsweise durch Löten, Widerstandschweißen oder durch Schweißen mit hochdichter Energie, wie beispielsweise Laserschweißen oder Elektronenstrahlschweißen hergestellt werden. Unter diesen Verfahren ist aus Gründen der Wirtschaftlichkeit das elektrische Widerstandpunktschweißen am vorteilhaftesten, weil durch das Widerstandpunktschweißen das Verschweißen und das Aufwickeln der glatten und der gewellten Blechbahnen gleichzeitig ausgeführt werden kann. Außerdem kann das Elektronenstrahl oder das Laserschweißen auf die gleiche Weise ausgeführt werden wie das Punktschweißen, um die glatten und die gewellten Bleche zu verbinden. Beim Lötverfahren werden die glatten und die gewellten Bleche zunächst durch Verlöten verbunden, woraufhin die verbundenen Bleche spiralförmig aufgewickelt werden, um eine Wabenstruktur zu erhalten, oder es wird zunächst ein Verfahren zum Aufwickeln der glatten und der gewellten Bleche ausgeführt, während in jeder Lage der Wabenstruktur ein Lötmaterial zwischen den glatten und den gewellten Blechen aufgebracht wird, woraufhin eine Wärmebehandlung des gewickelten Körpers in einem Vakuum ausgeführt wird, wodurch die glatten und die gewellten Bleche miteinander verlötet werden.
Die vorliegende Erfindung wird nachstehend unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben; es zeigen:
Fig. 1 eine schematische perspektivische Ansicht eines Systems zum Herstellen eines wabenförmigen Katalysator-Trägers aus fortlaufenden glatten und gewellten Blechbahnen;
Fig. 2 eine Anordnung eines Punktschweißsystems bezüglich den glatten und gewellten Blechbahnen entlang der Linie II-II von Fig. 1;
Fig. 3 eine Anordnung einer Punktschweißeinheit entlang der Linie III-III von Fig. 2;
Fig. 4 Lagen eines Katalysator-Trägers mit einer Wabenstruktur entlang der Linie IV-IV von Fig. 1;
Fig. 5 eine durch Aufwickeln fortlaufender Blechbahnen auf einen Kern erhaltene Wabenstruktur, wobei die Endabschnitte der Blechbahnen auseinandergezogen dargestellt sind;
Fig. 6 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 5, wobei auf einer Oberfläche der glatten Blechbahn jedoch nur eine gewellte Blechbahn angeordnet ist;
Fig. 7 eine vollständige Wabenstruktur, die aus den in Fig. 5 oder 6 dargestellten Strukturen erhalten wird;
Fig. 8 eine Teilansicht der in einem Gehäuse angeordneten Wabenstruktur, wodurch ein Katalysator für ein Fahrzeug gebildet wird;
Fig. 9 eine Explosionsansicht eines Aufbaus einer aus aufeinanderlaminierten Blechabschnitten erhaltenen Wabenstruktur;
Fig. 10 eine schematische perspektivische Ansicht der Wabenstruktur mit einem laminierten Aufbau, die in einem Gehäuse mit rechteckigem Querschnitt angeordnet ist;
Fig. 11 eine bezüglich Fig. 9 ähnliche Ansicht, die jedoch eine andere Ausführungsform darstellt;
Fig. 12 bis 18 verschiedene Ausführungsformen, wobei ein Gehäuse eine längliche kreisförmige Querschnittsform besitzt.
Fig. 1 zeigt eine Anordnung zum Herstellen eines wabenförmigen Katalysator-Trägers durch Aufwickeln einer fortlaufenden Blechbahn, wobei das Bezugszeichen 1 eine glatte Blechbahn bezeichnet, die von einer nicht dargestellten Rolle abgenommen wird, und die Bezugszeichen 2a, 2b und 2c gewellte Blechbahnen mit einer Breite bezeichnen, die geringer ist als diejenige der glatten Blechbahn 1. Die glatte Blechbahn 1 ist zwischen an einer Seite der glatten Blechbahn 1 angeordneten gewellten Elementen 2a und 2b und einer gewellten Blechbahn 2c an der entgegengesetzten Seite der glatten Blechbahn 1 angeordnet. Diese Blechbahnen 1, 2a, 2b und 2c werden zwangsweise nach unten bewegt, während sie durch Paare von Walzen 100, 103 geführt werden, und werden auf eine Aufnahmewelle (Kern) 104 aufgewickelt, die mit einer Drehvorrichtung, wie beispielsweise einem Elektromotor 106 verbunden ist. Die gewellten Blechbahnen 2a und 2b werden derart an einer Seite der glatten Blechbahn 1 angeordnet, daß die längsgerichteten Außenkanten der gewellten Blechbahnen 2a und 2b mit den jeweiligen längsgerichteten Kanten der glatten Blechbahn 1 bündig sind, wodurch seitlich und von den gewellten Blechbahnen 2a und 2b nach innen gerichtet ein sich in Längsrichtung erstreckender Abschnitt 3 auf der Oberfläche der glatten Blechbahn 1 gebildet wird, der nicht durch die gewellten Blechbahnen abgedeckt wird.
Die gewellte Blechbahn 2c wird auf der Seite der glatten Blechbahn 1 in der Mitte der Breite der glatten Blechbahn 1 angeordnet, die der Seite entgegengesetzt ist, auf der die gewellten Blechbahnen 2a und 2b angeordnet sind, so daß seitlich von der gewellten Blechbahn 2c sich in Längsrichtung erstreckende Abschnitte 3' und 3" (Fig. 2) auf der Oberfläche der glatten Blechbahn 1 gebildet werden, die nicht durch eine gewellte Blechbahn abgedeckt sind.
Die Breite jeder der gewellten Blechbahnen 2a, 2b und 2c beträgt im wesentlichen ein Drittel der Breite der glatten Blechbahn 1. Außerdem sind die nicht durch gewellte Blechbahnen abgedeckten Abschnitte 3, 3' und 3" der Oberfläche der glatten Blechbahn 1 mit Abschnitten der entgegengesetzten Seite der glatten Blechbahn 1 ausgerichtet, auf der die gewellten Blechbahnen 2a, 2b und 2c vorhanden sind. D.h., betrachtet in einer Richtung, die quer zur Ebene der Blechbahnen ausgerichtet ist, wie in Fig. 2 verdeutlicht, existiert im wesentlichen keine Überlappung der gewellten Elemente 2a und 2b an einer Seite mit dem gewellten Element 2c an der gegenüberliegenden Seite. Wenn die fortlaufenden Blechbahnen durch spiralförmiges Aufwickeln zu einer Wabenstruktur zusammengesetzt werden, wird durch diesen Aufbau ermöglicht, daß jedes gewellte Element in einer Lage seitlich mit einem gewellten Element der angrenzenden Lage in Eingriff steht, wodurch verhindert wird, daß die Lagen der Wabenstruktur in Querrichtung verschoben werden, wie später vollständig beschrieben wird.
In Fig. 1 bezeichnet ein Bezugszeichen 4 allgemein eine Punktschweißvorrichtung mit Paaren von Elektroden 4a bzw. 4b, zwischen denen die Bahnen angeordnet werden, so daß die Elektroden 4a und 4b an ihren Enden mit einer gegenüberliegenden glatten Blechbahn 1 oder einer gewellten Blechbahn 2a, 2b oder 2c in Kontakt kommen können. Wie in Fig. 2 und 3 dargestellt ist, wenn das Punktschweißen durchgeführt wird, jedes Paar von Elektroden 4a bzw. 4b über jeweilige Schalter 6 mit einer Spannungszufuhr 5 verbunden, wobei durch eine durch EIN-schalten der Schalter 6 erhaltene geschlossene Schaltung ein elektrischer Strom über die Elektroden 4a und 4b fließt, so daß ein direktes Punktschweißen ausgeführt wird, wodurch die gewellten Blechbahnen 2a, 2b und 2c mit der glatten Blechbahn 1 verbunden werden. Jede der Schweißvorrichtungen weist drei horizontal beabstandete Paare von Elektroden 4a bzw. 4b auf, so daß das Punktschweißen gleichzeitig an drei horizontal beabstandeten Stellen entlang der Breite der gewellten Bahn ausgeführt wird. Die Anzahl der Elektrodenpaare ist nicht auf drei begrenzt und wird gemäß der Breite der mit der glatten Blechbahn zu verbindenden gewellten Blechbahn bestimmt. Das Punktschweißen wird an gewünschten vertikalen Positionen durchgeführt, die entlang der Gesamtlänge der Bahn geeignet beabstandet sind. Es ist eine gewünschte Anzahl von Schweißköpfen vorgesehen, so daß diese vertikal beabstandet sind.
Die geschweißten Blechbahnen 1 und 2 werden durch eine durch einen Elektromotor 106 angetriebene Trommel 104 aufgenommen, so daß die glatte Blechbahn 1 zusammen mit den an deren Vorder- und Rückseite angeschweißten gewellten Blechbahnen 2a, 2b und 2c wie durch einen Pfeil B dargestellt, aufgerollt wird, um eine spiralförmige Wabenstruktur zu erhalten, wobei, wie in Fig. 4 dargestellt, zwischen angrenzenden Lagen der Wabenstruktur eine gewellte Blechbahn 2c einer inneren Lage in direktem Kontakt mit dem Abschnitt 3 der Oberfläche der glatten Blechbahn 1 einer angrenzenden äußeren Lage steht, und die gewellten Blechbahnen 2a und 2b in der zweiten bzw. äußeren Lage in direktem Kontakt mit den Abschnitten 3' und 3" der Oberfläche der glatten Blechbahn 1 der inneren bzw. ersten Lage stehen, wodurch die gewellten Blechbahnen 2a und 2b in einer Lage und die gewellte Blechbahn 2c in der angrenzenden Lage in Querrichtung ineinander eingreifen, während die Lagen radial voneinander getrennt sind. Dadurch können die Lagen der Wabenstruktur nicht gegeneinander verschoben werden, obwohl zwischen den Lagen der Wabenstruktur keine Schweißstellen vorhanden sind. Wenn ein vorgegebener Durchmesser der aufgerollten Blechbahnen erreicht wird, werden die zusammengesetzten Blechbahnen in Querrichtung geschnitten, um eine Wabenstruktur 7 zu erhalten, wie in Fig. 7 dargestellt. In Fig. 5, in der das Außenende der Blechbahn ausgedehnt dargestellt ist, werden die gewellten Blechbahnen 2a, 2b und 2c geschnitten, bevor sie den äußersten Rand 1-1 der glatten Blechbahn 1 erreichen, so daß ein über die gesamte Breite der glatten Blechbahn nicht durch die gewellte Blechbahn abgedeckter Abschnitt 200 gebildet wird, der die Länge einer Umdrehung einer Lage besitzt. Dieser Abschnitt wird, nachdem er, wie in Fig. 7 dargestellt, vollständig aufgerollt ist, durch Punktschweißen entlang Abschnitten 200 mit einer angrenzenden Lage verbunden, um dadurch eine vollständige Wabenstruktur zu erhalten.
Die derart erhaltene, in Fig. 8 dargestellte Wabenstruktur 7 wird in ein rohrförmiges Gehäuse 8 eingesetzt und mit diesem durch ein geeignetes Verbindungsverfahren, wie beispielsweise durch Hartlöten oder Schweißen oder durch eine mechanische Verbindungseinrichtung verbunden, so daß die Wabenstruktur 7 nicht aus dem Gehäuse 8 herausgleiten kann. Zwischen angrenzenden Lagen, d.h., zwischen einer glatten Blechbahn 1 in einer Lage und gewellten Blechbahnen 2a, 2b und 2c in der nächsten Lage besteht keine Verbindung, wobei jedoch durch diesen Aufbau die Lagen nicht in eine Richtung verschoben werden, die parallel zur Achse 110 der Wabenstruktur 7 verläuft, weil die gewellten Blechbahnen 2a und 2b in der ersten Lage in direktem Kontakt mit den Abschnitten 3' und 3" stehen, die nicht durch die gewellte Blechbahn in der nächsten Lage abgedeckt sind, und eine gewellte Blechbahn 2c in der nächsten Lage in direktem Kontakt mit einem Abschnitt 3 steht, der nicht durch eine gewellte Blechbahn in der ersten Lage bedeckt ist, wodurch die gewellten Blechbahnen 2c bzw. 2a und 2b zwischen gegenüberliegenden Lagen in Querrichtung in beiden Richtungen in Eingriff stehen können, wobei durch das seitliche Ineinandergreifen der gewellten Blechbahnen angrenzender Lagen keine seitliche Verschiebung der Lagen auftritt.
Anstelle des direkten Punktschweißverfahrens kann ein anderes Verbindungsverfahren verwendet werden, bei dem eine hochdichte Energie verwendet wird, wie beispielsweise Elektronenstrahlschweißen oder Laserstrahlschweißen, um die Blechbahnen miteinander zu verbinden. Außerdem können die glatten und die gewellten Blechbahnen durch ein Hartlötverfahren fest miteinander verbunden werden. In diesem Fall wird auf die Abschnitte der glatten und der gewellten Blechbahnen, die miteinander verbunden werden sollen, ein Lötmaterial aufgebracht. Eine Spiralform der Blechbahnen wird erhalten, indem die Blechbahnen einem Hartlötverfahren unter Vakuum unterzogen werden, so daß die glatte Blechbahn und die gewellte Blechbahn an Positionen verlötet werden, an denen die Bahnen miteinander in Kontakt stehen. Bei diesem Aufbau ist zwischen den Lagen grundsätzlich keine feste Verbindung vorhanden, wodurch eine flexible Wabenstruktur erhalten wird.
Bei einem in Fig. 6 dargestellten Aufbau wird auf einer Oberfläche der glatten Blechbahn eine fortlaufende gewellte Blechbahn 2a und an der entgegengesetzten Seite davon eine fortlaufende gewellte Blechbahn 2b aufgebracht. Die Breite der gewellten Blechbahnen 2a und 2b beträgt jeweils die Hälfte der Breite der glatten Blechbahn 1. Die gewellten Blechbahnen sind so auf der glatten Blechbahn 1 angeordnet, daß die gewellten Blechbahnen 2a und 2b in Querrichtung zur glatten Blechbahn betrachtet nicht überlappen, wodurch bei einer durch Aufwickeln dieser Blechbahnen auf einen Kern erhaltenen Wabenstruktur ein direkter Kontakt der gewellten Blechbahnen 2a und 2b bezüglich den Abschnitten der gegenüberliegenden Flächen auf der glatten Blechbahn erhalten wird, die nicht durch die gewellte Blechbahn abgedeckt werden, so daß die gewellten Blechbahnen auf angrenzenden Lagen in Querrichtung miteinander in Eingriff stehen. Bei diesem Aufbau wirkt der Eingriff zwischen angrenzenden Lagen in Querrichtung jedoch nur in einer Richtung. Daher muß, um ein seitliches Verschieben der Lagen zu verhindern, wenn ein Katalysator mit dieser Wabenstruktur in einem Auspuffrohr eines Verbrennungsmotors angeordnet wird, die Strömung des Auspuffgases vom Motor in diejenige Richtung auf die Wabenstruktur wirken, in die ein solches Eingreifen in Querrichtung stattfindet.
Außerdem kann ein Aufbau gebildet werden, bei dem eine Schweißstelle an einem an den Mittelbereich der Wabenstruktur angrenzenden Bereich vorgesehen ist. In diesem Fall ist die Wabenstruktur im Mittelabschnitt starr. Die Wabenstruktur weist jedoch noch immer eine bewegliche Lagen- Lagen-Struktur in einem Umfangsbereich in der Nähe des Gehäuses auf, wo eine Belastungskonzentration selten auftritt, wodurch eine gewünschte flexible Eigenschaft erhalten bleibt.
Figur 9 zeigt eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei eine Wabenstruktur durch Aufeinanderlaminieren von Blechabschnitten 1', 2'a, 2'b und 2'c gebildet wird. Ein glatter Blechabschnitt 1' weist an entgegengesetzten Oberflächen gewellte Blechabschnitte 2'a, 2'b und 2'c auf, deren Breite geringer ist als diejenige des glatten Blechs 1', so daß der gewellte Blechabschnitt 2'c auf einer Seite des glatten Blechabschnitts 1' die gewellten Blechabschnitte 2'a und 2'b auf der gegenüberliegenden Seite des glatten Blechabschnitts 1' in Querrichtung zur Ebene der Bahn betrachtet nicht überlappt, wodurch durch das Aufeinanderlaminieren der Bahnen ein Aufbau erreicht wird, bei dem ein direkter Kontakt jedes gewellten Elements in einer Lage mit einem nicht durch eine gewellte Blechbahn abgedeckten Abschnitt in den gegenüberliegenden Lagen erhalten wird, so daß die gewellten Blechabschnitte 2'a, 2'b und 2'c zwischen den Lagen in Querrichtung miteinander in Eingriff stehen, wodurch verhindert wird, daß die angrenzenden Schichten in Querrichtung verschoben werden, während sie in eine Richtung senkrecht zur laminierten Ebene ungehindert beweglich sind. Die erhaltene Wabenstruktur wird in ein Gehäuse 8' mit rechteckigem Querschnitt eingesetzt, wie in Fig. 10 dargestellt.
Wenn die Wabenstruktur durch den laminierten Aufbau erhalten wird, muß die gewellte Blechbahn auf einer Seite der glatten Blechbahn nicht immer eine nicht-überlappende Beziehung bezüglich eines nicht durch eine gewellte Blechbahn abgedeckten Abschnitts einer gegenüberliegenden Fläche der glatten Blechbahn einhalten. Fig. 11 zeigt diese Möglichkeit, wobei bei der glatten Blechbahn 1a gewellte Blechbahnen 2e auf einer Seite die gewellten Blechbahnen 2c auf der entgegengesetzten Seite der glatten Blechbahn 1a teilweise überlappen. Bei einer glatten Blechbahn 1b überlappt eine gewellte Blechbahn 2f auf einer Seite davon eine gewellte Blechbahn 2g auf der gegenüberliegenden Seite vollständig. Selbst wenn ein solcher Aufbau verwendet wird, muß jedoch zwischen angrenzenden Lagen eine gewellte Blechbahn in einer Lage einem Abschnitt der glatten Blechbahn gegenüberliegen, der im wesentlichen die gleiche Breite besitzt und der nicht durch eine gewellte Blechbahn in der gegenüberliegenden Lage abgedeckt wird.
Das Gehäuse für einen Träger hat eine von einer kreisförmigen oder rechteckigen Querschnittsform verschiedene Querschnittsform, wie beispielsweise eine elliptische oder eine Rennbahnform. Fig. 13 bis 15 zeigen diese Möglichkeit. In Fig. 12 werden dünne Blechbahnen wie in Fig. 1 auf einen Kern (nicht dargestellt) aufgewickelt, um einen Körper mit einem mittigen zylinderförmigen Zwischenraum 200 zu erhalten. Dieser Körper wird in einem Gehäuse 8" mit einer elliptischen Querschnittsform angeordnet, wie in Fig. 13 dargestellt, so daß die Lagen in Querrichtung zusammengedrückt werden, um den mittigen Zwischenraum 200 in Fig. 12 zu verkleinern. Dadurch wird ein in Fig. 14 dargestellter Katalysator erhalten. Fig. 15 zeigt einen Katalysator mit einem Gehäuse 8''' mit der Querschnittsform einer Rennbahn. Fig. 16 bis 18 zeigen, wie der Katalysator-Träger von Fig. 15 erhalten wird. Ein aufgewickelter Körper wird in Querrichtung durch ein Paar von Stempeln 300 bzw. 302 (Fig. 17) zusammengedrückt. Der zusammengedrückte Körper wird in einem Gehäuse 8''' mit der Querschnittsform einer Rennbahn angeordnet.

Beispiel 1

Aus einer Blechbahn, die aus auf Ferrit basierendem 50 um dickem, rostfreiem Stahl mit 10% Chrom und 4.5% Aluminium hergestellt wird, wurden eine glatte Blechbahn mit einer Breite von 120 mm und eine gewellte Blechbahn mit einer Breite von 40 mm erhalten. Diese Blechbahnen werden, wie in Fig. 1 dargestellt, derart zusammengesetzt, daß zwei gewellte Blechbahnen auf einer Seite der glatten Blechbahn und eine gewellte Blechbahn auf der entgegengesetzten Seite der glatten Blechbahn angeordnet werden, so daß zwischen den gewellten Blechbahnen 2a und 2b auf einer Seite der glatten Blechbahn ein nicht durch eine gewellte Blechbahn abgedeckter Abschnitt 3 gebildet wird und eine gewellte Blechbahn auf der entgegengesetzten Seite der glatten Blechbahn angeordnet wird, so daß, betrachtet in Querrichtung zur Ebene der glatten Blechbahn 1, zwischen der gewellten Blechbahn 2c auf der anderen Seite ein nicht durch eine gewellte Blechbahn abgedeckter Abschnitt 3 gebildet wird. Die glatte und die gewellten Blechbahnen wurden durch Vorrichtungen 4 zum direkten Punktschweißen miteinander verbunden.
Das Schweißen wurde durch Paare von Elektroden 4a bzw. 4b mit kegelfömigen Spitzen durchgeführt, wie in Fig. 3 dargestellt. Die Blechbahnen wurden zwischen jedem Paar von Elektroden 4a bzw. 4b unter Druck durch die Elektroden durchgeführt. Für jede gewellte Blechbahn war eine vertikal angeordnete Reihe von Elektrodenpaaren vorgesehen, um das Punktschweißen durchzuführen. Die miteinander verbundenen Blechbahnen wurden aufgewickelt, um, wie in Fig. 7 dargestellt, eine Wabenstruktur zu erhalten.
Der derart erhaltene Wabenkörper 7 wurde in einen aus rostfreiem Stahl SUS 304 hergestellten rohrförmigen Körper 8 eingesetzt und an geeigneten Stellen durch Widerstandschweißen damit verbunden. Der erhaltene Träger wurde in einen 3000 cm³ Verbrennungsmotor eingebaut, wobei der Träger einer Haltbarkeitsuntersuchung unterzogen wurde, bei der der Motor für 300 Stunden ununterbrochen betrieben wird, während die Auspuffgastemperatur bei 850ºC gehalten wurde. Ein gutes Ergebnis wurde dadurch erhalten, daß zwischen dem Außengehäuse und dem Wabenkörper bzw. zwischen den Lagen des Wabenkörpers keine axiale Verschiebung auftrat und das Außengehäuse bzw. der Wabenkörper nicht beschädigt wurden.

Beispiel 2

Aus dem gleichen Material, das in Beispiel 1 verwendet wurde, wurden Bahnen hergestellt, wobei eine in Fig. 6 dargestellte Wabenstruktur gebildet wurde, bei der zwei gleich breite gewellte Blechbahnen 2a und 2b mit entgegengesetzten Seiten der glatten Blechbahn verbunden wurden, so daß auf einer Seite der glatten Blechbahn gegenüberliegend der anderen Seite, auf der eine gewellte Blechbahn angeordnet ist, ein freier Zwischenraum gebildet wurde. Das Punktschweißen einer gewellten Blechbahn an die glatte Blechbahn wurde an sechs an der gleichen Höhe beabstandeten Stellen durchgeführt. Die Schweißbedingungen waren die gleichen wie bei Beispiel 1.
Der derart erhaltene Katalysator-Träger wurde für 300 Stunden der gleichen Untersuchung unterzogen wie bei Beispiel 1, wobei das gleiche Ergebnis erzielt wurde.

Beispiel 3

Aus den gleichen Materialien, die bei Beispiel 1 verwendet wurden, wurden Blechbahnen hergestellt. Wie in Fig. 9 dargestellt, wurden die Blechbahnen in Abschnitte von glatten Blechbahnen und gewellten Blechbahnen geschnitten. Die Breite der gewellten Blechbahnen betrug ein Drittel der Breite der glatten Blechbahn. Eine Lage wurde durch eine glatte Blechbahn und auf den Oberflächen der glatten Blechbahn angeschweißten gewellten Blechbahnen erhalten, so daß nicht durch eine gewellte Blechbahn abgedeckte Abschnitte 3, 3' bzw. 3" auf einer Seite gebildet wurden, die der Oberfläche gegenüberliegen, auf der gewellte Blechbahnen angeordnet sind. Die derart erhaltenen Lagen wurden so zusammengesetzt, daß die gewellte Blechbahn auf einer Seite einer Lage mit einem nicht durch eine gewellte Blechbahn abgedeckten gegenüberliegenden Abschnitt auf der gegenüberliegenden Seite einer glatten Blechbahn der angrenzenden Lage in Eingriff steht. Dadurch wurde, wie in Fig. 10 dargestellt, ein geschichteter Wabenaufbau erhalten, der in einem rohrförmigen Gehäuse 8' mit einer rechteckigen Querschnittsform angeordnet wurde. Die erhaltene Wabenstruktur wurde für 300 Stunden unter den gleichen Bedingungen wie bei Beispiel 1 einer Haltbarkeitsuntersuchung unterzogen, wobei ähnlich gute Ergebnisse erhalten wurden.

Claims

1. Katalysator-Trägerkörper mit einer Wabenstruktur mit mehreren Lagen, die jeweils eine glatte Blechbahn und mindestens eine gewellte Blechbahn mit einer geringeren Breite als diejenige der glatten Blechbahn aufweisen, wobei die gewellte Blechbahn mit einer Seite der glatten Blechbahn fest verbunden ist, so daß auf einer Fläche in Querrichtung der glatten Blechbahn mindestens ein nicht durch die gewellte Blechbahn abgedeckter Abschnitt gebildet wird, wobei die Anordnung der Lagen so ist, daß zwischen der gewellten Blechbahn in einer Lage und einem nicht durch eine gewellte Blechbahn auf der gegenüberliegenden Fläche der angrenzenden Lage abgedeckten Abschnitt ein direkter Kontakt gebildet wird, so daß ein gegenseitiger Eingriff der gewellten Blechbahn der angrenzenden Lagen in mindestens einer Querrichtung hergestellt wird, um dadurch zu verhindern, daß die angrenzenden Lagen entlang dieser Richtung verschoben werden.

2. Katalysator-Trägerkörper nach Anspruch 1, wobei die gewellten Blechbahnen der gleichen Breite an den entgegengesetzten Seiten der glatten Blechbahn derart angeordnet sind, daß eine gewellte Blechbahn an einer Seite mit dem nicht durch eine gewellte Blechbahn auf der anderen Seite abgedeckten Abschnitt in einer Richtung quer zur Lage ausgerichtet ist.

3. Katalysator-Trägerkörper nach Anspruch 2, wobei der Katalysator-Trägerkörper zylinderförmig ist und wobei die glatten und die gewellten Blechbahnen in allen Lagen jeweils fortlaufend und spiralförmig aufgewickelt sind, um eine Wabenstruktur zu erhalten.

4. Katalysator-Trägerkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei alle Lagen voneinander getrennt sind, und wobei die getrennten Lagen in einer Richtung quer zur Blechbahn laminiert werden, um eine Wabenstruktur zu erhalten.

5. Katalysator-Trägerkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei mindestens zwei gewellte Blechbahnen auf einer Seite der glatten Blechbahn befestigt sind, so daß zwischen den in Querrichtung beabstandeten gewellten Elementen der nicht durch eine gewellte Blechbahn abgedeckte Abschnitt gebildet wird, mit dem das gewellte Element in der angrenzenden Lage in einem direkten Kontakt steht, so daß die gewellte Blechbahn in einer Lage mit den gewellten Blechbahnen in einer angrenzenden Lage in Querrichtung in Eingriff steht, wodurch eine Querbewegung zwischen angrenzenden Lagen in beide Richtungen quer zur Länge der Blechbahnen verhindert wird.

6. Katalysator-Trägerkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die glatte Blechbahn und die gewellten Blechbahnen durch Punktschweißen an Stellen, an denen sie miteinander in Kontakt stehen, fest verbunden sind.

7. Verfahren zum Herstellen eines Katalysator-Trägerkörpers mit einer Wabenstruktur, mit den Schritten:

Bereitstellen einer Quelle einer fortlaufenden glatten Blechbahn mit entgegengesetzten Seiten;

Bereitstellen von mindestens zwei Quellen fortlaufender gewellter Blechbahnen mit einer geringeren Breite als die Breite der glatten Blechbahn;

Entnehmen der glatten und der gewellten Blechbahnen von den entsprechenden Quellen, so daß mindestens eine gewellte Blechbahn auf jeder Seite der glatten Blechbahn angeordnet wird;

wobei die Anordnung der glatten und der gewellten Blechbahnen derart ist, daß ein nicht durch eine gewellte Blechbahn abgedeckter Abschnitt mit einer Breite, die im wesentlichen derjenigen der gewellten Blechbahn gleich ist, eine der Seitenflächen der gewellten Blechbahn bildet, wobei der Abschnitt mit der gewellten Blechbahn auf der gegenüberliegenden Seite der glatten Blechbahn ausgerichtet ist;

festes Verbinden der gewellten Blechbahnen und der glatten Blechbahn miteinander an Stellen, an denen sie miteinander in Kontakt stehen;

spiralförmiges Aufwickeln der verbundenen glatten und gewellten Blechbahnen auf einen Kern, um eine Wabenstruktur zu erhalten, wobei ein direkter Kontakt zwischen einer gewellten Blechbahn in einer Lage und einem nicht durch eine gewellte Blechbahn abgedeckten Abschnitt auf der gegenüberliegenden Seite einer glatten Blechbahn in einer nächsten Lage erhalten wird, wodurch die gewellten Blechbahnen der Lagen in mindestens einer Querrichtung in Eingriff stehen; und

Schneiden der fortlaufenden Blechbahn, wenn ein gewünschter Durchmesser der Wabenstruktur erreicht ist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Verbindungsschritt aufweist:

Bestimmen der beabstandeten Positionen entlang der Länge der fortlaufenden Blechbahnen, an denen die glatte und die gewellten Blechbahnen miteinander in Kontakt kommen, bevor die Blechbahnen auf den Kern aufgewickelt werden; und

Punktschweißen der glatten und der gewellten Elechbahnen an den bestimmten Positionen aneinander.

9. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Verbindungsschritt aufweist:

Aufbringen eines Lötmaterials an Stellen, wo die glatte und die gewellten Blechbahnen miteinander in Kontakt stehen, bevor die Blechbahnen auf den Kern aufgewickelt werden; und

Unterziehen der aufgewickelten Blechbahnen einer Wärmebehandlung in einem Vakuum, um die Blechbahnen an den Stellen, an denen die glatte und die gewellten Blechbahnen miteinander in Kontakt stehen, hartzulöten.

10. Verfahren zum Herstellen eines Katalysator-Trägerkörpers mit einer Wabenstruktur, mit den Schritten:

Bereitstellen eines Abschnitts einer glatten Blechbahn;

Bereitstellen eines Abschnitts einer gewellten Blechbahn mit einer Breite, die geringer ist als diejenige der glatten Blechbahn;

Anordnen jedes der gewellten Bleche auf ein glattes Blech, um eine Lage mit einer Wabenstruktur zu bilden, so daß ein nicht durch ein gewelltes Blech abgedeckter Abschnitt in Querrichtung des glatten Blechs gebildet wird;

festes Verbinden der glatten Blechbahn und der gewellten Blechbahnen in jeder Lage; und

Aufeinanderlaminieren der Lagen, um eine Wabenstruktur zu erhalten, wobei ein gewelltes Blech in einer Lage einem nicht durch ein gewelltes Blech abgedeckten Abschnitt mit im wesentlichen der gleichen Breite in der nächsten Lage gegenüberliegt, so daß die gewellten Bleche angrenzender Lagen in Querrichtung miteinander in Eingriff stehen.

11. Katalysator-Trägerkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Trägerkörper eine langgestreckte kreisförmige Querschnittsform aufweist, wie beispielsweise eine elliptische Form oder eine Rennbahnform.