Die vorliegende Erfindung betrifft einen Applikator sowie Systeme, Vorrichtungen und Verfahren zum Applizieren eines Beschichtungsmediums auf ein Substrat. Die Substrate selbst kommen z.B. in der katalytischen Abgasnachbehandlung, insbesondere im Automobilsektor zum Einsatz.

Stand der Technik

Substrate oder Substratmonolithe werden in der chemischen Industrie als Katalysatorträger eingesetzt. Auch für die Behandlung von Autoabgasen spielen sie eine wichtige Rolle. Zur Entfernung der für Umwelt und Gesundheit schädlichen Emissionen aus den Abgasen von Kraftfahrzeugen sind eine Vielzahl katalytischer Abgasreinigungstechnologien entwickelt worden, deren Grundprinzip üblicherweise darauf beruht, dass das zu reinigende Abgas über ein Substrat, z.B. einen Durchfluss- (flow-through) oder einen Wandflusswabenkörper oder -monolithen (wall-flow) mit einer darauf aufgebrachten katalytisch aktiven Beschichtung geleitet wird. Der Katalysator fördert die chemische Reaktion verschiedener Abgaskomponenten unter Bildung unschädlicher Produkte wie beispielsweise Kohlendioxid und Wasser.

Die eben beschriebenen Durchfluss- oder Wandflussmonolithen werden auch als Katalysatorträger, Träger oder eben auch als Substratmonolithe bezeichnet, tragen sie doch die katalytisch aktive Beschichtung auf ihrer Oberfläche bzw. in den diese Oberfläche bildenden Poren der Wand. Die katalytisch aktive Beschichtung wird im Allgemeinen in einem Beschichtungsvorgang in Form einer Suspension (bei Katalysatoren für die Abgasreinigung oft als „Washcoat“ bezeichnet) auf den Katalysatorträger aufgebracht. Viele derartige Prozesse sind in der Vergangenheit von Autoabgaskatalysatorherstellern hierzu veröffentlicht worden (WO9947260A1 , EP2521618B1 , EP1136462B1 , EP1900442A1).

Trotz dieser im Stand der Technik bekannten Verfahren ist es immer noch eine Herausforderung, Substratmonolithe gleichmäßig zu beschichten. Unterschiedliche Beschichtungsmenge sind z.B. aufgrund der hohen Kosten für Edelmetalle und seltene Erden nach Möglichkeit zu vermeiden. Gleichförmige Beschichtungen sind auch aus katalytischer Sicht zu bevorzugen. Auch das Nachtropfen des Beschichtungsmediums nach der Applikation desselben auf das Substrat stellt eine Herausforderung für die Herstellung von Substraten dar.

Ein wichtiger Aspekt bei solchen Verfahren ist das präzise und gleichmäßige Beschichten der Innenseiten der Kanäle solcher Katalysatorträger mit dem Beschichtungsmedium (Washcoat), insbesondere im Hinblick auf z.B. Beschichtungslänge in den Öffnungen des Substrates, die aufgebrachte Beschichtungsmenge, die Gleichmäßigkeit der Beschichtungsdicke, die Gleichmäßigkeit der Beschichtungslänge oder von Beschichtungsgradienten entlang der Längsachse des Katalysatorträgers, sowie bei der Herstellung von geschichteten oder zonierten Beschichtungsdesigns.

Die Herstellung einer präzisen und gleichmäßigen Beschichtung ist besonders herausfordernd, weil die Kanäle der Katalysatorträger, in welche die Beschichtung gleichmäßig eingebracht wird, sehr eng sind. So weisen typische Katalysatorträger für Abgasnachbehandlungen ungefähr 31 und 140 Zellen/cm ² (200 und 900 Zellen pro Quadrat inch, cpsi) auf, so dass die Öffnungen der Katalysatorkanäle im Allgemeinen im zehntel Millimeterbereich liegen. Die gleichmäßige Beschichtung ist zusätzlich erschwert, weil die Beschichtungsmedien Suspensionen von anorganischen Partikeln sind, die im Allgemeinen eine relativ hohe Viskosität aufweisen. Daher besteht grundsätzlich und insbesondere bei geringfügigen Prozessvariationen die Gefahr, dass die einzelnen Kanäle ungleichmäßig mit Beschichtungsmedium beladen werden. Dies hat zur Folge, dass die Eindringtiefe des Beschichtungsmediums in den Katalysatorträger in lokalen Bereichen erheblich variieren kann. Eine ungleiche Verteilung der katalytischen Beschichtung kann verschlechterte Eigenschaften des beschichteten Katalysators beim bestimmungsgemäßen Gebrauch zur Folge haben. Da solche Beschichtungsverfahren in industriellem Maßstab mit einer Vielzahl von Substraten durchgeführt werden, ist jedoch eine hohe Gleichmäßigkeit und Präzision erforderlich . Da die Beschichtungen Edelmetalle, wie Platin und Palladium, und seltene Erden enthalten, ist ein effizienter Einsatz auch aus Kostengründen notwendig.

Die EP2415522A1 zeigt ein solches Beschichtungsverfahren für Katalysatorträger, bei dem das Beschichtungsmedium von oben auf ein Substrat appliziert wird. Über einen Stempel wird das Beschichtungsmedium über eine Zuleitung in einen Hohlraum geführt und anschließend durch die Düsen einer Abschlussplatte auf das Substrat aufgebracht. Dabei wird zunächst die gesamte Menge Beschichtungsmedium für den Katalysatorträger in einen Bereich oberhalb des Substrates eingebracht und anschließend durch Anlegen eines Unterdruckes in die Kanäle eingesaugt. Der Bereich über dem Katalysatorträger kann seitlich durch einen Mantel begrenzt werden. Um bei der industriellen Produktion eine Vielzahl gleichmäßig beschichteter Substrate zu erhalten, ist es erforderlich, dass in den Bereich über dem Substrat immer genau die gleiche Menge Beschichtungsmedium gleichmäßig verteilt aufgetragen wird.

Eine weitere Schwierigkeit solcher Verfahren besteht darin, dass das Beschichtungsmedium mit Überdruck aus der Abschlussplatte ausgetragen wird. Auf diese Weise kann eine genau definierte Mengen des relativ viskosen Beschichtungsmediums in den Bereich über dem Substrat gleichmäßig appliziert und verteilt werden. Bei zu geringem Druck würden unerwünschte Variationen der Menge und Verteilung resultieren, weil zum Beispiel ein Teil des Beschichtungsmediums in den Düsen der Abschlussplatte verbleibt, in unerwünschter Weise nachtropft oder unterhalb der Abschlussplatte akkumulieren kann. Wenn das Beschichtungsmedium dagegen mit Überdruck ausgetragen wird, kann präzise eine definierte Menge dosiert und gleichmäßig verteilt werden. Die Austragung bei Überdruck kann jedoch den unerwünschten Effekt haben, dass beim Aufprall des Beschichtungsmedium auf das Substrat und beim anschließenden Befüllen des Bereichs oberhalb des Substrates Unregelmäßigkeiten entstehen können, die ungleichmäßige Beschichtungen zur Folge haben.

Solche unerwünschten Effekte sind gerade im industriellen Maßstab problematisch, wo ein Katalysatorträger innerhalb von kurzer Zeit beschichtet wird. In der Praxis dauert ein solcher automatisierter Beschichtungsvorgang im Allgemeinen weniger als 20 Sekunden, und dabei oft nur etwa 4 bis 10 Sekunden.

Wenn bei industriellen Prozessen nicht immer genau die gleiche Menge Beschichtungsmedium eingesetzt wird, dieses nicht gleichmäßig in die Kanäle eingesaugt wird oder innerhalb der Kanäle nicht gleichmäßig nach unten gelangt, können beschichtete Substrate voneinander abweichen und erhebliche Unregelmäßigkeiten hinsichtlich der Dicke, Gleichmäßigkeit und Tiefe der Beschichtung in den Kanälen aufweisen. In der Praxis zeigt sich, dass selbst bei genauer Kontrolle der Dosierung des Beschichtungsmediums, gleichmäßigem Einsaugen und Trocknen, beschichtete Substrate mit erheblichen Variationen hinsichtlich der Beschichtung in den Kanälen erhalten werden. Die Fig. 7 der vorliegenden Anmeldung zeigt beispielhaft einen Querschnitt eines Katalysatorträgers, der mit einem typischen Verfahren gemäß dem Stand der Technik beschichtet wurde. Obwohl das Beschichtungsmediums aus der Abschlussplatte gleichmäßig aufgetragen und in die Kanäle des Substrates gesaugt wurde, wurden die Kanäle nicht gleichmäßig beschichtet. So ist das dunklere Beschichtungsmedium in einigen Bereichen tief in die Kanäle eingedrungen, in anderen Bereichen aber nur wenig, wo die hellen unbeschichteten Bereiche viel größer sind. Insgesamt ist ein unregelmäßiges Zickzackmuster zu erkennen. In die zu tief beschichteten Kanäle und Bereiche wurde in der Regel zu viel Beschichtungsmedium eingebracht. Dies hat auch zur Folge, dass die Dicke der Beschichtung in solchen Kanälen größer ist als vorgesehen. Die Katalysatorkanäle sind dadurch verjüngt, wodurch die Strömungsgeschwindigkeiten von Abgasen verringert wird. Solche lokalen Variationen der Katalysatorleistung und des Durchflusses führen beim bestimmungsgemäßen Gebrauch zu verminderter Katalysatorleistung. Die Abgase werden in Bereichen zu geringer Beschichtungstiefe nicht ausreichend gereinigt, während in Bereichen mit zu hoher Eindringtiefe der Durchfluss reduziert ist und Beschichtungsmedium verschwendet wird, das im Allgemeinen seltene und teure Metalle enthält.

Eine weitere Herausforderung liegt darin, dass viele Produkte eine Zonenbeschichtung von beiden Seiten des Substrates erfordern. Aus technischen Gründen müssen Zonen mit unterschiedlichen katalytischen Beschichtungen so nahe wie möglich aneinander liegen, dürfen aber zugleich nicht überlappen. Daher sind ebene und gerade Zonenprofile bei solchen Mehrfachbeschichtungen von besonderer Bedeutung.

Es besteht daher ein Bedürfnis nach verbesserten Vorrichtungen und Verfahren zur Beschichtung von Katalysatorträgern, welche die beschriebenen Nachteile überwinden.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Vorrichtungen und Verfahren bereitzustellen, mit denen eine präzise und gleichmäßige Beschichtung von Substraten mit Beschichtungsmedien erreicht werden kann. Insbesondere soll ein gleichmäßiger Auftrag von Beschichtungsmedien in die parallelen Kanäle von Katalysatorträgern für Abgasreinigungsvorrichtungen erreicht werden, so dass die Kanäle über eine möglichst gleichmäßige und definierte Länge beschichtet werden können. Die Verfahren sollen effizient, zügig und im industriellen Maßstab mit hohem Durchsatz durchführbar sein.

Gegenstand der Erfindung Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch einen Applikator, Verfahren und Verwendungen gemäß den Patentansprüchen gelöst. Gegenstand der Erfindung ist ein Applikator zur Beschichtung eines Substrates mit einem Beschichtungsmedium, wobei der Applikator mindestens eine Zuleitung für das Beschichtungsmedium, eine Abschlussplatte mit mindestens einer Düse zur Applikation des Beschichtungsmediums auf das Substrat und einen Hohlraum, in dem sich das Beschichtungsmedium vor der Applikation auf das Substrat verteilen kann, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Düse seitlich geneigt ist.

Das Beschichtungsmedium wird zunächst durch eine Zuleitung in den Hohlraum des Applikators eingebracht und anschließend unter Druckeinwirkung durch die Düsen der Abschlussplatte aus dem Hohlraum gedrückt. Der Applikator erlaubt die genaue Dosierung des Beschichtungsmediums auf ein Substrat, wie einen Substratmonolithen für die Autoabgasnachbehandlung. Mit dem Applikator wird eine definierte Menge des Beschichtungsmediums, die auf ein Substrat aufgetragen werden soll, in einen Bereich oberhalb des Substrates aufgebracht. Der Bereich oberhalb des Substrates kann beispielsweise nach unten hin durch die Stirnfläche des Substrates (mit den Öffnungen der Kanäle) und an den Seiten durch einen Kragen begrenzt sein. Das Beschichtungsmedium verbleibt während dem Austragen aus dem Applikator in dem Bereich über dem Substrat, ohne dass ein Unterdrück angelegt und das Beschichtungsmedium eingesaugt wird. Erst wenn die gesamte Menge des Beschichtungsmediums, mit dem das Substrat beschichtet werden soll, in den Bereich eingetragen wurde, wird es aus dem Bereich durch Anlegen eines Unterdrucks in das Substrat eingesaugt.

Es hat sich als Vorteil erwiesen, wenn der Applikator so ausgeführt ist, dass er in etwa den Durchmesser und/oder die Form der Stirnseite des zu beschichtenden Substrates besitzt. Substrate mit großem Durchmesser benötigen größere Applikatoren als kleinere. In der Regel hat der Applikator einen Durchmesser im Bereich von 50 - 400 mm, mehr bevorzugt 75 - 350 mm.

Bevorzugt entspricht der Querschnitt des Bereichs dem Querschnitt des Substrates und dem der Abschlussplatte. Auf diese Weise kann eine gleichmäßige Befüllung des Bereichs, gefolgt von einem gleichmäßigen Einsaugen des Beschichtungsmediums in das Substrat, erreicht werden.

Die Abschlussplatte weist bevorzugt eine symmetrischen Querschnitt auf, und zwar in der Aufsicht betrachtet aus der Richtung, in die das Beschichtungsmedium ausgetragen wird. Dabei kann die Abschlussplatte beispielsweise einen kreisförmigen, ovalen, trapezförmigen, quadratischen, rechteckigen oder polygonalen, wie hexagonalen, Querschnitt aufweisen. Die Form der Anschlussplatte ist dabei bevorzugt and den Querschnitt des Katalysatorträgers angepasst.

Der Querschnitt der Abschlussplatte ist bevorzugt kreisförmig oder oval. Dies ist zum einen vorteilhaft, weil Katalysatorträger oft einen kreisförmigen oder ovalen Querschnitt aufweisen. Darüber hinaus wurde gefunden, dass mit einer runden Abschlussplatte, die seitlich geneigte Düsen aufweist, ein besonders gleichmäßiges Aufbringen des Beschichtungsmediums auf den Katalysatorträger ermöglicht wird. Insbesondere kann mit einer Vielzahl seitlich geneigter Düsen ein besonders gleichförmiges rundes Auftragsmuster erhalten werden.

Dabei ist bevorzugt, dass die Geometrie der Düsenanordnung im Wesentlichen dem Querschnitt der Platte entspricht. Beispielsweise sind die Düsen auf einer kreisförmigen Abschlussplatte bevorzugt in einem kreisförmigen Muster angeordnet. Dies ist vorteilhaft, um den Raum im Applikator maximal auszunutzen und zu verhindern, dass das Beschichtungsmedium auf Teilbereiche des Katalysatorträgers nicht oder nur ungleichmäßig aufgetragen wird.

Die Abschlussplatte weist vorzugsweise eine Dicke von 2 - 10 mm, mehr bevorzugt 4 - 5 mm auf. Die Abschlussplatte weist bevorzugt die Form einer Scheibe auf. Bevorzugt ist der Querschnitt der Abschlussplatte kreisförmig, wobei die Form bevorzugt zylinderförmig ist. Solche runden Ausgestaltungen ermöglichen ein besonders gleichmäßige oder symmetrische Anordnung der Düsen, und dadurch ein gleichmäßiges Aufbringen des Beschichtungsmediums auf das Substrat.

Die Austragung des Beschichtungsmediums aus dem Applikator erfolgt durch die Düsen der Abschlussplatte. Die Abschlussplatte weist bevorzugt eine Vielzahl von Düsen auf. Mit dem Begriff Düse wird die Komponente der Abschlussplatte bezeichnet, aus der die Beschichtungslösung auf das Substrat appliziert wird. Die Düsen umfassen Durchflusskanäle mit Öffnungen an der Einlassseite und der Auslassseite der Abschlussplatte. An der Einlassseite kann die Beschichtungslösung aus dem Hohlraum im Applikator in die Kanäle der Düsen gedrückt werden. An der Auslassseite wird das Beschichtungsmedium ausgetragen und auf das Substrat aufgetragen. Erfindungsgemäß ist mindestens eine Düse geneigt. Dabei bedeutet "geneigt", dass die Düse nicht rechtwinklig zur Abschlussplatte angeordnet ist, wie bei herkömmlichen Platten, sondern gegenüber der Abschlussplatte geneigt ist. Falls die Platte nicht eben ist, ist die Düse geneigt gegenüber der Aufsicht der Abschlussplatte von der unteren Seite, also der Austragsseite.

Erfindungsgemäß ist die Neigung der Düse seitlich. Dabei bedeutet "seitlich", dass die Düse, bei einer Aufsicht der Abschlussplatte (von unten) betrachtet, nicht ausschließlich zur Mitte der Abschlussplatte hin oder von der Mitte der Abschlussplatte weg (nach außen hin) geneigt ist. Die seitliche Richtung ist daher die Richtung, die zu der Richtung zur Mitte hin im rechten Winkel steht. Die seitliche Neigung der Düse bewirkt, dass das Beschichtungsmedium seitlich schräg aus der Düse ausgetragen wird, und zwar mindestens teilweise in eine Richtung, die nicht zur Mitte hin oder von der Mitte weg führt.

Wenn die Abschlussplatte einen kreisförmigen oder ovalen Querschnitt aufweist, bedeutet "seitlich" geneigt, dass die Düse, bei einer Aufsicht der Abschlussplatte (von unten) betrachtet, ausschließlich oder unter anderem in tangentialer Richtung geneigt ist. Die tangentiale Richtung steht im rechten Winkel zur radialen Richtung der runden oder ovalen Abschlussplatte.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die mindestens eine Düse im Wesentlichen seitlich geneigt. Dies bedeutet, dass die Düse entweder nur seitlich (tangential) geneigt ist oder dass die Neigung von der nur seitlichen Richtung (bei runden oder ovalen Platten: der tangentialen Richtung) nur geringfügig abweicht, beispielsweise um weniger als 10°, insbesondere um weniger als 5°. Somit ist Düse dabei nicht oder nur unwesentlich zur Mitte der Platte oder nach außen hin (in radialer Richtung) geneigt. Das Beschichtungsmedium wird bei diesen Ausführungsformen im Wesentlichen oder nur zur Seite hin ausgetragen, nicht jedoch oder nur wenig zur Mitte bzw. zu den Rändern der Beschichtungsplatte hin. Dies hat den Vorteil, dass die Beschichtungslösung auf dem Substrat an keiner Stelle akkumuliert, insbesondere wenn ein Großteil der Düsen auf gleiche Weise ausgerichtet sind. Wenn dagegen die Düsen zum Zentrum hin geneigt sind, wird zur Mitte hin mehr Beschichtungsmedium aufgetragen. Wenn die Düsen nach außen hin geneigt sind, wird nach außen hin mehr Beschichtungsmedium aufgetragen, während zur Mitte hin weniger ausgetragen wird. Dabei kann für ein gleichmäßiges Aufträgen auch eine geringfügige Neigung der seitlich geneigten Düsen zum Zentrum hin vorteilhaft sein, so dass jede Düse geringfügig zur benachbarten Düse hin geneigt ist. Die seitliche Neigung der Düse führt dazu, dass das Beschichtungsmedium aus der Düse nicht in einem senkrechten Strahl aus der Abschlussplatte ausgetragen wird, sondern schräg zur Seite. Überraschenderweise wurde gefunden, dass eine besonders gleichmäßige Beschichtung erhalten werden kann, wenn die Düsen der Abschlussplatte seitlich geneigt sind. Es wird angenommen, dass bei diese Ausführungsform besonders vorteilhaft ist, dass das Beschichtungsmedium seitlich auf das Substrat prallt. Dadurch wird zum einen die Kraft des Aufpralls verringert. Das Aufbringen des Beschichtungsmediums in Form von schrägen Strahlen bewirkt wohl außerdem, dass es gleichmäßiger auf dem Substrat verteilt wird. Ein weiterer Vorteil scheint zu sein, dass das Beschichtungsmedium dabei nicht oder nur wenig in die Kanäle des Substrates eindringt, bevor es gezielt mit Unterdrück in die Kanäle eingesaugt wird. Möglicherweise bewirken die seitlich geneigten Düsen auch, dass sich das Beschichtungsmedium auf dem Substrat nach dem Aufprall schnell in seitliche Richtung verteilt, und dadurch die Aufprallkraft der Strahlen während des weiteren Auftragevorgangs noch weiter abschwächt. Insgesamt können mit dem erfindungsgemäßen Applikator die einzelnen Kanälen des Substrates besonders gleichmäßig beschichtet werden, wobei insbesondere eine besonders gleichmäßige Eindringtiefe erreicht werden kann.

Es ist nicht erforderlich, dass die Düse über ihre gesamte Länge seitlich geneigt ist. Es ist lediglich erforderlich, dass der untere Bereich zur Austrittsöffnung hin geneigt ist. So kann eine seitlich geneigte Düse beispielsweise aus einer geraden Bohrung in der Abschlussplatte und einem seitlich geneigten Stutzen an der Auslassseite bestehen.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Neigungswinkel der mindestens einen Düse 2 und 50°, bevorzugt 10 bis 40°, und besonders bevorzugt 15 bis 30°. Die Neigung ist dabei gegenüber einer Aufsicht auf die Platte von unten definiert. Es wurde gefunden, dass die Vorteile hinsichtlich der Gleichmäßigkeit der beschichteten Produkte bei solchen Neigungswinkeln besonders ausgeprägt sein können.

Bevorzugt weist die Mehrzahl der Düsen in der Abschlussplatte die seitliche Neigung auf. Erfindungsgemäß ist es bevorzugt, dass mindestens 80 %, insbesondere mindestens 90 % oder mindestens 95 % der Düsen in der Abschlussplatte seitlich geneigt sind. Die Düsen sind dabei in einer bevorzugten Ausführungsform nicht oder nur unwesentlich in zur Mitte oder nach außen hin (in radialer Richtung) geneigt.

Die erfindungsgemäße Abschlussplatte weist bevorzugt eine Vielzahl von Düsen auf.

Bevorzugt weist die Abschlussplatte 10 bis 500 Düsen, insbesondere 60 bis 320 Düsen oder besonders bevorzugt 95 bis 225 Düsen auf. Eine solche hohe Anzahl Düsen ermöglicht ein gleichmäßiges Aufbringen des Beschichtungsmediums und kann lokale Variationen der Beschichtung reduzieren.

Bevorzugt sind die Düsen möglichst gleichmäßig, und dabei in möglichst gleichen Abständen zueinander, angeordnet. In einer bevorzugte Ausführungsform weisen alle Düsen gleiche Abstände zu den jeweils benachbarten Düsen auf. Solche Anordnungen sind vorteilhaft, um eine möglichst gleichmäßige Einbringung des Beschichtungsmediums und möglichst gleichmäßige Beschichtung des Substrates zu erreichen.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Abschlussplatte seitlich geneigte Düsen und optional eine zentrale Düse auf. Die zentrale Düse kann nicht geneigt oder geneigt sein. Bevorzugt sind sämtliche Düsen seitlich geneigt, wobei die zentrale Düse nicht geneigt ist. Mit einer solchen Anordnung kann erreicht werden, dass das Beschichtungsmedium besonders gleichmäßig auf das Substrat aufgebracht wird, weil sämtliche Düsen, gegebenen falls bis auf eine zentrale Düse, das Beschichtungsmedium in Form von schrägen Strahlen austragen. Bei dieser Anordnung können besonders gleichmäßig beschichtete Substrate erhalten werden.

In einer weiteren Ausführungsform weist die Abschlussplatte keine zentrale Düse auf, sondern mindestens eine geneigte Düse, die den Strahl schräg auf das Zentrum des Katalysatorträgers (in der Aufsicht) richtet. Auf diese Weise kann das Beschichtungsmedium auch ohne eine zentrale Düse in der Abschlussplatte gleichmäßig, und dabei auch auf das Zentrum des Katalysatorträgers, aufgetragen werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind alle Düsen der Abschlussplatte symmetrisch angeordnet, insbesondere rotationssymmetrisch. Bevorzugt sind die seitlich geneigten Düsen in konzentrischen Kreisen um die zentrale nicht geneigte Düse angeordnet. Vorzugsweise umfasst die Platte eine zentrale Düse und 2 bis 9 Lochkreise mit je 6 bis 54 Düsen in der Peripherie. Die Düsen sind hierbei in möglichst gleichmäßigen Abständen zueinander eingeteilt. Die Anordnung in konzentrischen Kreisen ist besonders vorteilhaft, weil auf einfache Weise konstruktiv eine gleichmäßige Verteilung der Düsen ermöglicht werden kann. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Düsen eines konzentrischen Kreises gleich ausgerichtet. Dabei kann jede Düse auf gleiche Weise tangential oder zu einer benachbarten Düse hin geneigt sein. Dadurch wird eine besonders gleichmäßige Verteilung des Beschichtungsmediums auf das Substrat erreicht. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Düsen spiralförmig angeordnet. Dabei sind die Düsen spiralförmig vom Zentrum der Platte nach außen hin ausgerichtet. Auch mit einer solchen Anordnung kann ein gleichmäßiger Auftrag des Beschichtungsmediums auf das Substrat erreicht werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Abstand der Düsen zueinander zwischen

4 und 20 mm, bevorzugt zwischen 6 und 10 mm, jeweils in Bezug auf das Zentrum der Austragsöffnungen. Dabei sind bevorzugt alle Abstände der benachbarten Düsen in der Abschlussplatte, in jedem konzentrischen Kreis und/oder in einer spiralförmigen Anordnung identisch.

Der Durchmesser der Austragsöffnung der Düsen ist bevorzugt zwischen 0,5 und 5 mm, besonders bevorzugt zwischen 1 ,6 und 3 mm. Bevorzugt weisen alle Düsen in der Platte Austragsöffnungen gleichen Durchmessers auf. Dies ermöglicht ein besonders gleichmäßiges Aufbringen und Beschichten des Substrates. Mit solchen Düsen können Beschichtungsmedien besonders effizient auf Substrate aufgetragen werden, die Katalysatorträger für Abgasreinigungsvorrichtungen mit feinen parallelen Kanälen sind.

Alternativ ist es möglich, dass das Beschichtungsmedium ungleichmäßig auf das Substrat aufgetragen wird. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass die Beschichtung einen Gradienten aufweist. So kann es für spezielle Anwendungen von Vorteil sein, eine höhere Konzentration der katalytischen Beschichtung in den inneren Kanälen oder äußeren Kanälen einzustellen. Ein Gradient kann beispielsweise erreicht werden, wenn die Auslassöffnungen der Düsen in Teilbereichen der Platte zueinander unterschiedlich sind und/oder wenn die Neigung der Düsen so variiert wird, dass in einigen Bereichen mehr Beschichtungslösungen ausgetragen wird als in anderen Bereichen.

Es ist bevorzugt, dass die Düsen stutzenförmig ausgebildet sind. Dies bedeutet, dass sie zur Austragsseite hin aus der Abschlussplatte herausragen. Die Ausgestaltung als Stutzen ist vorteilhaft, weil eine seitliche Neigung konstruktiv relativ einfach und stabil eingestellt werden kann und ein Verkleben der Platte von unten erschwert wird. Die Düsen weisen bevorzugt eine Länge von 5 mm - 15 mm, mehr bevorzugt eine Länge von 6 - 8 mm auf. Die Höhe der Erhebung über den Rand der Abschlussplatte beträgt um die 0,5 - 2,9 mm, mehr bevorzugt 1 ,5 - 2,5 mm. In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Stutzen der Düse nach zum Ausfluss hin eine konkave beziehungsweise eine angesenkte Düse auf. Der Abstand zwischen den Düsen liegt bevorzugt im Bereich von

5 - 20 mm und ganz bevorzugt 8 - 14 mm. In einer anderen Ausführungsform können die Düsen Kanäle sein, die nicht aus der Platte herausragen, beispielsweise in Form von Bohrungen.

Die vorzugsweise stutzenförmigen Düsen in der Abschlussplatte können jedwede Form und Querschnitte aufweisen (z.B. Kanäle, Schlitze, Kreise, Spiralen etc.). Im einfachsten Fall sind die Düsen Kanäle mit rundem Querschnitt. Die Düsen und/oder Auslassöffnungen der Abschlussplatte sind bevorzugt gleich groß.

Der Hohlraum, die Abschlussplatte mit ihren Düsen sind bevorzugt in ihren Dimensionen und ihrer Gestaltung aufeinander abgestimmt, sodass sich eine homogene Verteilung des Beschichtungsmediums auf dem zu beschichtenden Substrat ergibt.

Der gesamte Applikator ist vorzugsweise aus Plastik gefertigt. Er kann jedoch auch komplett aus Metall aufgebaut sein. Die Materialien sind so gewählt, dass diese sich mit der katalytisch aktiven Beschichtung für die Autoabgasnachbehandlung vertragen. Als Plastik wird bevorzug das Material PE-HD 1000 verwendet. Teile aus Metall sind bevorzugt aus einem Edelstahl gleichwertig oder ähnlich Werkstoffnummer 1.4571 (X6CrNiMoTi17-12-2) gefertigt.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist in dem Hohlraum eine Prallplatte angeordnet, die den Fluss des Beschichtungsmediums von der Zuleitung zur mindestens einen Öffnung versperrt. Das Beschichtungsmedium wird bevorzugt durch eine Pumpe in den Applikator eindosiert. Die Prallplatte kann statisch angeordnet sein. Die Prallplatte kann alternativ reversibel beweglich sein. Dabei versperrt sie bevorzugt den Fluss des Beschichtungsmediums im drucklosen Zustand, während bei Druck durch das Beschichtungsmedium auf die Prallplatte der Fluss des Beschichtungsmediums von der Zuleitung zur mindestens einen Öffnung gestattet wird. Der Druck, der über das Beschichtungsmedium aufgebaut wird, dient dabei dazu, die Prallplatte des Applikators so zu verschieben, dass sich der Weg zur Abschlussplatte öffnet. Die Beschichtungssuspension kann dann, beispielsweise durch Düsen in der Prallplatte, in den Hohlraum des Applikators gepresst werden. Durch die sich im drucklosen Zustand schließende Prallplatte im Inneren des Applikators bedingt erfolgt kein Nachtropfen des Beschichtungsmediums auf die Stirnseite des Substrates. Mit einer solchen verschiebbaren Prallplatte kann die Genauigkeit der Dosierung des Beschichtungsmediums auf das Substrat noch weiter erhöht werden. Der Applikator und die Verfahren können zum Beschichten einer Vielzahl von Substraten genutzt werden. Dabei ist es bevorzugt, dass das Innere des Substrates beschichtet wird. Bevorzugt weist das Substrat eine Vielzahl von Kanälen auf, die insbesondere zueinander parallel sind, und die gezielt von einer Seite mit dem Beschichtungsmedium beladen werden, insbesondere durch Einsaugen. Besonders bevorzugt ist das Substrat ein Katalysatorträger für die Abgasnachbehandlung. Die Kanäle werden dabei bevorzugt so befüllt, dass ihre Innenseiten beschichtet werden, aber nicht vollständig gefüllt werden, so dass sie nach dem Trocknen der Beschichtung noch durchlässig für Fluide, wie Abgase, sind.

Vorteilhaft ist eine Verwendung des Applikators zur Herstellung eines Substratmonolithen mit einer für die Autoabgasnachbehandlung katalytisch aktiven Beschichtung. Das hier verwendete Beschichtungsmedium ist dabei in der Regel eine Suspension (slurry, washcoat), welche evtl, saure oder basische Eigenschaften hat, zumindest aber sehr abrasiv wirkt (siehe weiter hinten). Dies ist bei der vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Applikators entsprechend zu berücksichtigen. Die einzusetzenden Beschichtungsmedien sind dem Fachmann hinlänglich bekannt.

Das Substrat ist bevorzugt ein Katalysatorträger vom Wandfluss-Typ (Wandflussfilter) oder vom Durchfluss-Typ, insbesondere in Form eines Monolithen. Durchflussmonolithe sind im Stand der Technik übliche Katalysatorträger, die aus Metall (corrugated carrier, z.B. WO17153239A1 , WO16057285A1 , WO15121910A1 und darin zitierte Literatur) oder keramischen Materialien bestehen können. Bevorzugt werden feuerfeste Keramiken wie zum Beispiel Corderit, Siliziumcarbit oder Aluminiumtitanat etc. eingesetzt. Die Anzahl der Düsen pro Fläche wird durch die Zelldichte charakterisiert, welche üblicher Weise zwischen ungefähr 1.300 und 5.800 Zellen/cm ² (200 und 900 Zellen pro Quadrat inch, cpsi) ist. Die Wanddicke der Düsenwände beträgt bei Keramiken zwischen 0,5 - 0,05 mm.

Als Wandflussmonolithe oder Wandflussfilter können alle im Stand der Technik üblichen keramischen Materialien eingesetzt werden. Bevorzugt werden poröse Wandflussfiltersubstrate aus Corderit, Siliziumcarbid oder Aluminiumtitanat eingesetzt. Diese Wandflussfiltersubstrate weisen An- und Abströmöffnungen auf, wobei jeweils die abströmseitigen Enden der Anströmöffnungen und die anströmseitigen Enden der Abströmöffnungen gegeneinander versetzt mit gasdichten „Stopfen“ verschlossen sind. Hierbei wird das zu reinigende Abgas, das das Filtersubstrat durchströmt, zum Durchtritt durch die poröse Wand zwischen An- und Abströmöffnungen gezwungen, was eine exzellente Partikelfilterwirkung bedingt. Durch die Porosität, Poren-/Radienverteilung, und Dicke der Wand kann die Filtrationseigenschaft für Partikel ausgelegt werden. Die Porosität der unbeschichteten Wandflussfilter beträgt in der Regel mehr als 40 %, generell von 40 % bis 75 %, besonders von 50 % bis 70 % (gemessen nach DIN 66133 - neueste Fassung am Anmeldetag). Die durchschnittliche Porengröße (Durchmesser) der unbeschichteten Filter beträgt wenigstens 7 pm, z. B. von 7 pm bis 34 pm, bevorzugt mehr als 10 pm, insbesondere mehr bevorzugt von 10 pm bis 25 pm oder ganz bevorzugt von 15 pm bis 20 pm (gemessen nach DIN 66134 neueste Fassung am Anmeldetag).

Das Beschichtungsmedium ist bevorzugt eine Suspension. Das Lösungsmittel ist bevorzugt Wasser. Solche Beschichtungsmedien werden in dem technischen Gebiet als Washcoat bezeichnet. Vorzugsweise ist das Beschichtungsmedium strukturviskos (https://de.wikipedia.org/wiki/Strukturviskosit%C3%A4t). Die Viskosität ist bevorzugt von 1 ,0087 - 1000 mPas, vorzugsweise 100 - 780 mPas, bei einer Scherrate von 100 1/s. Die Viskosität kann beispielsweise mit einem Viskosimeter gemäß EN ISO 3219 gemessen werden. Die Beschichtungsmedien, insbesondere in Form von Washcoats, weisen Festkörper auf und enthalten die katalytisch aktiven Komponenten oder deren Precursor sowie anorganische Oxide wie Aluminiumoxid, Titandioxid, Zirkonoxid, Ceroxid oder deren Kombinationen, wobei die Oxide mit z.B. Silizium oder Lanthan dotiert sein können. Als katalytisch aktive Komponenten können Oxide von Vanadium, Chrom, Mangan, Eisen, Kobalt, Kupfer, Zink, Nickel oder Seltenerdmetalle wie Lanthan, Cer, Praseodym, Neodym, Promethium, Samarium, Europium, Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbium, Thulium, Ytterbium oder deren Kombinationen eingesetzt werden. Als katalytisch aktive Komponenten können außerdem Edelmetalle wie Platin, Palladium, Gold, Rhodium, Iridium, Osmium, Ruthenium sowie deren Kombinationen eingesetzt werden. Diese Metalle können auch als Legierungen miteinander oder anderen Metallen oder als Oxide vorliegen. Im flüssigen Beschichtungsmedium können die Metalle auch als Precursor vorliegen, wie Nitrate, Sulfite oder Organyle der genannten Edelmetalle sowie deren Mischungen, insbesondere können Palladiumnitrat, Palladiumsulfit, Platinnitrat, Platinsulfit oder Pt(NH3)4(NOs)2 eingesetzt werden. Durch Kalzinierung bei etwa 400°C bis etwa 700°C kann dann die katalytisch aktive Komponente aus dem Precursor erhalten werden.

Als für die Oxidation von Kohlenwasserstoffen geeignet haben sich beispielsweise Me- tallionen aus der Gruppe der Platinmetalle, insbesondere Platin, Palladium und Rhodium herauskristallisiert, während z.B. sich die SCR-Reaktion am effektivsten mit Zeolithen bzw. Zeotypen (Molekularsiebe mit anderen oder weiteren Elementen als Kationen im Framework verglichen mit Zeolithen) gezeigt hat, die mit Eisen- und/oder Kupferionen ausgetauscht sind. Das die katalytische Aktivität bedingende Material (Washcoat) kann demnach auch Zeolithe oder Zeotype enthalten. Als Zeolithe bzw. Zeotype können im Prinzip alle, dem Fachmann für den entsprechenden Anwendungsbereich in Frage kommende Typen oder Mischungen derselben angewendet werden. Dazu gehören natürlich vorkommende, bevorzugt aber synthetisch hergestellte Zeolithe. Diese können Gerüsttypen z.B. aus der Gruppe bestehend aus Beta, Ferrierit, Y, USY, ZSM-5, ITQ aufweisen. Beispiele für hier in Frage kommende synthetisch hergestellte kleinporige Zeolithe und Zeotype sind solche, die den Strukturtypen ABW, AGO, AEI, AEN, AFN, AFT, AFX, ANA, APC, APD, ATN, ATT, ATV, AWO, AWW, BIK, BRE, CAS, ODO, CHA, DDR, DFT, EAB, EDI, EPI, ERI, ESV, GIS, GOO, IHW, ITE, ITW, JBW, KFI, LEV, LTA, LTJ, MER, MON, MTF, NSI, OWE, PAU, PHI, RHO, RTE, RTH, SAS, SAT, SAV, SIV, THO, TSC, UEI, UFI, VNI, YUG und ZON angehören. Bevorzugt werden solche vom kleinporigen Typ eingesetzt, welche sich von einem Strukturtyp aus der Gruppe bestehend aus CHA, LEV, AFT, AEI, AFI, AFX, KFI, ERI, DDR ableiten. Besonders bevorzugt sind hier diejenigen, welche sich vom CHA-, LEV-, AEI-, AFX-, AFI- oder KFI-Gerüst ableiten. Ganz besonders bevorzugt ist ein Zeolith vom AEI- bzw. CHA-Typ in diesem Zusammenhang. Auch Mischungen der genannten Spezies sind möglich. Der SAR-Wert des Zeolithen oder der entsprechende Wert beim Zeotypen (z.B. SAPO -> (AI+P)/2Si) sollte im Bereich von 5 bis 50, bevorzugt 10 bis 45 und ganz bevorzugt 20 bis 40 liegen. Für eine entsprechend gute Aktivität z.B. in der SCR-Reaktion ist es notwendig, dass die Zeolithe bzw. Zeotype und insbesondere die vom kleinporigen Typ mit Metallionen, insbesondere Übergangs- metallionen ausgetauscht vorliegen. Hier kann der Fachmann die für die entsprechende Reaktion bevorzugt einsetzbaren Metallionen, insbesondere Kupferionen, heranziehen. Der Fachmann weiß, wie ein solcher lonenaustausch erfolgen kann (z.B. W02008/106519A1). Der Austauschgrad (Anzahl Ionen an Austauschplätzen/Gesamt- zahl der Austauschplätze) sollte zwischen 0,3 und 0,5 liegen. Als Austauschplätze sind hier solche gemeint, an denen die positiven Ionen negative Ladungen des Gitters kompensieren. Bevorzugt können auch weitere nichtausgetauschte Metallionen, insbesondere Fe- und/oder Cu-Ionen im finalen SCR-Katalysator vorliegen. Das Verhältnis ausgetauschte zu nicht-ausgetauschten Ionen liegt bei >50:50, bevorzugt 60:40 - 95:5 und äußerst bevorzugt 70:30 - 90:10. Die auf Austauschplätzen sitzenden Ionen sind in der Elektronenspinresonanzanalyse sichtbar und können quantitativ bestimmt werden (Quantitative EPR, Gareth R. Eaton, Sandra S. Eaton, David P. Barr, Ralph T. Weber, Springer Science & Business Media, 2010). Alle nicht-ionenausgetauschten Kationen befinden sich an anderen Stellen innerhalb oder außerhalb des Zeolithen/Zeotypen. Letztere kompensieren keine negative Ladung des Zeolith/Zeoltyp-Gerüsts. Sie sind in der EPR unsichtbar und können so aus der Differenz zwischen der Gesamtmetallbeladung (z.B. per ICP bestimmt) und dem in der EPR bestimmten Wert errechnet werden. Die Zugabe der entsprechenden Ionen zur Beschichtungsmischung wird so gesteuert, dass die Gesamtmenge an Metallionen, insbesondere Fe- und/oder Cu-Ionen im finalen Gesamtkatalysator bei 0,5 - 10 Gew.-%, bevorzugt 1 - 5 Gew.-% der Beschichtungsmenge liegt.

Neben den eben diskutierten Komponenten kann das Beschichtungsmedium auch weitere Bestandteile enthalten. Diese Komponenten können die katalytische Funktion des katalytisch aktiven Materials weiter unterstützen, greifen selbst jedoch nicht aktiv in die Reaktion ein. Hier zum Einsatz kommende Materialien sind z.B. sogenannte Binder. Letztere sorgen unter anderem dafür, dass die an der Reaktion beteiligten Materialien und Komponenten ausreichend fest auf dem entsprechenden Substrat haften können. Als vorteilhafte Komponenten haben sich in diesem Zusammenhang Binder ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Aluminiumoxid, Titandioxid, Zirkondioxid, Siliziumdioxid oder deren Oxid-Hydroxiden (beispielsweise Boehmit) oder Mischungen derselben erwiesen. Vorteilhaft kommen vorliegend hochoberflächige Aluminiumoxide zum Einsatz. Der Binder wird in einer bestimmten Menge in der Beschichtung verwendet. Bezogen auf das in der Beschichtungssuspension eingesetzte feste Material wird der weitere Bestandteil, z.B. der Binder in einer Menge von max. 25 Gew.-%, vorzugsweise max. 20 Gew.-% und ganz besonders bevorzugt in einer Menge von 5 Gew.-% - 15 Gew.-% verwendet.

Die derart hergestellten katalytisch in der Abgasnachbehandlung aktiven Substratmonolithe können im Prinzip in allen dem Fachmann für den Autoabgasbereich bekannten Abgasnachbehandlungen eingesetzt werden. Bevorzugt kann die katalytische Beschichtung des Substratmonolithen ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus Dreiwegkatalysator, SCR-Katalysator, Stickoxidspeicherkatalysator, Oxidationskatalysator, Rußzündbeschichtung. Hinsichtlich der einzelnen in Frage kommenden katalytischen Aktivitäten und deren Erklärung wird auf die Ausführungen in der WO2011151711 A1 verwie- sen. Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zum Beschichten eines Substrates mit Beschichtungsmedium mit einem erfindungsgemäßen Applikator, umfassend die Schritte:

(a) Applizieren des Beschichtungsmediums durch die Düsen der Abschlussplatte auf das Substrat, und

(b) Einsaugen des Beschichtungsmediums in das Substrat.

Das Applizieren des Beschichtungsmediums in Schritt (a) erfolgt dabei in einen Bereich oberhalb des Substrates. Wegen der zumindest teilweise schrägen Anordnung der Düsen wird das Beschichtungsmedium in einem schrägen Strahl auf das Substrat aufgebracht, was zu einer besonders gleichmäßigen Beschichtung führt. Erst wenn die vollständige Menge des Beschichtungsmediums für das Substrat in den Bereich eingespeist wurde, wird das Beschichtungsmedium in Schritt (b) in das Substrat eingesaugt. Das Einsaugen erfolgt durch Anlegen eines Unterdrucks, insbesondere eines Vakuums. In Schritt (a) wird das Beschichtungsmedium bevorzugt durch Druck appliziert, beispielsweise zwischen 0,3 und 10 bar, insbesondere zwischen 1 ,5 und 3,5 bar. In Schritt b) erfolgt das Einsaugen bevorzugt mit Unterdrück, beispielsweise zwischen 10 und 500 mbar, insbesondere zwischen 50 und 200 mbar. Mit solchen Einstellungen kann eine besonders effiziente und zügige Herstellung des beschichteten Substrates erreicht werden.

Bevorzugt wird das Verfahren automatisiert und mit hohem Durchsatz durchgeführt, bevorzugt in einem kontinuierlichen Prozess für eine definierte Stückzahl. Bei automatisierten Verfahren erfolgt das Applizieren des Beschichtungsmediums in Schritt (a) mit hoher Geschwindigkeit, beispielsweise innerhalb von einer Zeitspanne von 200 ps bis 6 s, insbesondere zwischen 500 ps und 3 s. Bevorzugt erfolgt das Einsaugen in Schritt (b) in einer Zeitspanne von 10 ps bis 10 s, insbesondere zwischen 20 ps und 2,5 s.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist vorteilhaft, dass eine besonders gleichmäßige Beschichtung der feinen Kanäle eines Katalysatorträgers erreicht werden kann. Da die Eindringtiefe des Beschichtungsmediums in das Katalysatorsubstrat besonders gleichmäßig ist, eignet sich das Verfahren in besonderem Maße für eine automatisierte Herstellung, bei der eine hohe Stückzahl Substrate in schneller Abfolge beschichtet wird.

In einer bevorzugten Ausführungsform werden mit dem Verfahren zwei oder mehr Beschichtungen auf dasselbe Substrat aufgetragen, typischerweise in definierten Teilbereichen (Zonen) mit unterschiedlicher katalytischer Wirkung. Im Stand der Technik ist es besonders aufwendig, ein Katalysatorsubstrat mit mehreren Beschichtungen in Teilbereichen auszustatten. Dabei muss besonders darauf geachtet werden, dass die Zonen relativ klar lokalisiert sind. Da mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine genaue Kontrolle der Eindringtiefe möglich ist, ist das Verfahren besonders geeignet zum Aufträgen und Kombinieren von Zonen. Beispielsweise kann ein Katalysatorsubstrat von einer Seite mit einer Zone eines ersten Beschichtungsmediums in einer Eindringtiefe von beispielsweise 10 bis 90 % der Kanallänge ausgestattet werden, wonach von der anderen Seite des Katalysatorsubstrates ein zweites Beschichtungsmedium in einer zweiten Zone aufgetragen wird, beispielsweise ebenfalls mit einer Eindringtiefe von 10 bis 90 % der Kanallänge. Solche Zonen können in unterschiedlichen Bereichen des Substrates und/oder übereinander aufgetragen werden, um spezielle katalytische Reaktionen zu optimieren.

Gegenstand der Erfindung ist auch ein Applikatorsystem zum Beschichten eines Substrates mit einem Beschichtungsmedium, umfassend einen Applikator gemäß der Erfindung und ein Steuerungseinheit, durch die eine definierte Menge Beschichtungsmedium aus dem Applikator ausgetragen werden kann. Die Steuerungseinheit kann bevorzugt eingestellt werden, um die gleiche definierte Menge Beschichtungsmedium wiederholt auszutragen. Das System umfasst bevorzugt Mittel zum Dosieren, wie einen Tank, Zuleitungen und Ventile. Dadurch kann in einem automatisierten Verfahren eine Serie von gleichartigen Substraten auf die gleiche Weise beschichtet werden. Die definierte Menge Beschichtungsmedium wird beispielsweise im Hinblick auf die Dimensionen des Substrates und der Kanäle sowie die gewünschte Beschichtung ausgewählt und eingestellt. Sie liegt beispielsweise zwischen 20 ml und 5000 ml, insbesondere zwischen 60 ml und 1500 ml, besonders bevorzugt zwischen 120 ml und 800 ml. Das Applikatorsystem kann weitere übliche Mittel enthalten, wie einen Tank für Beschichtungsmedium, eine Verdrängerpumpe, Ventile und eine Kontrolleinheit, um den Prozess zu überwachen.

Gegenstand der Erfindung ist auch eine Vorrichtung zum Beschichten eines Substrates mit einem Beschichtungsmedium, umfassend

(i) einen Applikator und/oder ein Applikatorsystem gemäß der Erfindung,

(ii) Mittel zum Fixieren des Substrates unterhalb des Applikators,

(iii) einen Bereich oberhalb des fixierten Substrates zum Einträgen des Beschichtungsmediums aus dem Applikator, und (iv) Mittel zum Einsaugen des Beschichtungsmediums in das Substrat.

Mit der Vorrichtung kann das oben beschriebene Beschichtungsverfahren durchgeführt werden. Die Mittel zum Fixieren des Substrates sind bevorzugt eine Halterung, in welche bevorzugt in einem automatisierten Prozess das Substrat aufgenommen, fixiert und nach der Beschichtung wieder entnommen werden kann. Der Bereich (iii) kann nach dem Fixieren des Substrates temporär ausgebildet werden, beispielsweise dadurch, dass am oberen Rand des Substrates ein Mantel angebracht wird, der ein Abfließen des Beschichtungsmediums zur Seit hin verhindert. Das Mittel zum Einsaugen kann eine Vakuumpumpe sein, die von unten über eine Rohrleitung mit dem Substrat verbunden wird. Die Vorrichtung kann bevorzugt automatisiert eine Vielzahl von Substraten nacheinander beschichten, ohne dass von außen in den Prozess eingegriffen wird.

Gegenstand der Erfindung ist auch die Verwendung eines erfindungsgemäßen Applikators, Applikatorsystems und/oder der Vorrichtung zur Herstellung eines Substratmonolithen mit einer für die Autoabgasnachbehandlung katalytisch aktiven Beschichtung.

Gegenstand der Erfindung ist auch die Verwendung des erfindungsgemäßen Applikators, Applikatorsystems und/oder der Vorrichtung zur Erhöhung der Gleichmäßigkeit der Beschichtung in einem Substratmonolithen.

Bei den genannten Verfahren und Verwendungen wird bevorzugt der Applikator der Erfindung, wie oben beschrieben, eingesetzt.

Die Figuren 1 bis 8 zeigen schematisch und beispielhaft Ausführungsformen der Erfindung sowie zum Vergleich Gegenstände gemäß dem Stand der Technik.

Fig. 1 zeigt schematisch und beispielhaft eine Vorrichtung zur Beschichtung von Substraten mit einem erfindungsgemäßen Applikator im Querschnitt.

Fig. 2 zeigt beispielhaft und schematisch die seitliche untere Ansicht auf die Abschlussplatte eines erfindungsgemäßen Applikators.

Fig. 3 zeigt den Querschnitt durch eine Abschlussplatte mit seitlich geneigter Düse.

Fig. 4 zeigt die Aufsicht auf die Austragsseite der Abschlussplatte gemäß Fig. 2.

Fig. 5 zeigt die Aufsicht gemäß Fig. 4, in der die konzentrischen Kreise der Düsen und die radiale Richtung der Platte kenntlich gemacht sind. Fig. 6 zeigt einen Ausschnitt des Querschnittes einer Abschlussplatte mit einer seitlich geneigten und einer senkrechten Düse und Strahlen von Beschichtungsmedium, die auf ein Substrat treffen.

Fig. 7 ist ein Foto des Querschnitts eines Katalysatorträgers, der auf herkömmliche Weise mit einer Abschlussplatte mit senkrechten Düsen beschichtet wurde.

Fig. 8 ist ein Foto eines erfindungsgemäß beschichteten Katalysatorträgers, der erfindungsgemäß mit einer Abschlussplatte mit schräg geneigten Düsen beschichtet wurde. Das Foto zeigt den direkten Vergleich zu Fig. 7 aus der gleichen Versuchsreihe

Im Folgenden werden beispielhaft Ausführungsformen der Erfindung und zum Vergleich gemäß dem Stand der Technik anhand der Figuren erläutert.

Figur 1 zeigt beispielhaft und schematisch den Querschnitt einer Vorrichtung zum Beschichten eines Substrates 2 mit einem erfindungsgemäßen Applikator 1. Das zu beschichtende Substrat 2 wird mit Mitteln 15, wie einer Halterung, für einen Beschichtungsvorgang fixiert. Das Beschichtungsmedium wird auf die Stirnfläche eines Substrates 2 dosiert, das ein Katalysatorträger mit einer Vielzahl von feinen parallelen Kanälen 14 ist. Um diese Stirnfläche wird eine Art Kragen 11 gelegt/gesteckt, der ein Herunterlaufen des Beschichtungsmediums von der Stirnfläche and den Seiten des Substrates 2 verhindert. Die Stirnseite des Substrates 2 und der Kragen 11 grenzen einen Bereich 10 ab, in den das Beschichtungsmedium eingetragen wird, bevor das Substrat 2 beschichtet wird. Das Beschichtungsmedium wird zunächst über die Zuleitung 4 in einen Hohlraum 6 oberhalb der Abschlussplatte 9 gegeben. Die Abschlussplatte 9 weist eine Vielzahl von seitlich geneigten Düsen 5 auf. Durch die Düsen wird das Beschichtungsmedium aus dem Hohlraum 6 in den Bereich 10 oberhalb des Substrates 2 eingetragen. Dabei wird genau die Menge Beschichtungsmedium eingetragen, die zum Beschichten des konkreten Substrates erforderlich ist. Nach Einbringen des Beschichtungsmediums wird unterhalb des Substrates 2 mit Mitteln 13, wie einer Pumpe, ein Unterdrück angelegt, wodurch das Beschichtungsmedium von oben in die parallelen Kanäle 14 eingesaugt wird. Die Menge, Dicke und Eindringtiefe des Beschichtungsmediums können dabei unter anderem über die Menge und Viskosität des Beschichtungsmediums, die Struktur des Substrates 2 und den Unterdrück gesteuert werden. Das Verfahren kann so eingestellt werden, dass die Beschichtung bis zu einer Zonengrenze 16 in die Kanäle 14 eindringt. Das Beschichtungsmedium kann bis zu einer Zonengrenze 16 eingetragen werden. Das bedeutet, dass das Verfahren so geführt wird, dass das Beschichtungsmedium nur oberhalb der Zonengrenze 16 aufgetragen wird, so dass der Katalysatorträger 1 nur auf einer Seite beschichtet wird. Die Zonengrenze 16 ist als Linie dargestellt und zeigt somit einen Idealverlauf. In der Praxis ist die Zonengrenze unregelmäßig. Die Gleichmäßigkeit kann dabei mit dem erfindungsgemäßen Applikator 1 erheblich verbessert werden (siehe Figuren 7 und 8).

Die Fig. 2, 3 und 5 zeigen schematisch und beispielhaft einen erfindungsgemäßen Applikator 1 mit einer Abschlussplatte 9, die eine Vielzahl seitlich geneigter Düsen 5 aufweist. Dabei zeigt Fig. 2 eine seitliche untere Ansicht des Applikators 1 , Fig. 4 eine untere Aufsicht und Fig. 5 eine Aufsicht gemäß Fig. 4 mit konzentrischen Kreisen der Düsen und der radialen Richtung vom Zentrum der Platte nach außen. Die Abschlussplatte 9 ist rund, was eine Anordnung der Düsen 5 in konzentrischen Kreisen bei gleichmäßigen Abständen ermöglicht. Die Neigung der Düsen 5 in den konzentrischen Kreisen ist ausschließlich seitlich und tangential, wie auch in Fig. 5 mit den konzentrischen Kreismustern erkennbar ist. Dies bedeutet, dass die Düsen 5 in den konzentrischen Kreisen nicht in der angedeuteten radialen Richtung nach innen oder außen hin geneigt sind. Dadurch wird ein gleichmäßiges Aufträgen des Beschichtungsmediums ermöglicht. Die Düsen 5 weisen eine regelmäßige Anordnung und gleiche Abstände zueinander auf. Dies ermöglicht eine gleichmäßige Austragung des Beschichtungsmediums in einen Bereich 10 oberhalb des Substrates. Die Düsen 5 in jedem konzentrischen Kreis sind dabei im Wesentlichen zur benachbarten Düse hin geneigt. Dadurch wird ein regelmäßiges Austragsmuster erreicht. Darüber hinaus wird verhindert, dass die Strahle des Beschichtungsmediums aus den Düsen 5 senkrecht auf das Substrat prallen und Beschichtungsmedium in unerwünschter Weise in Kanäle eindringt, bevor der Unterdrück angelegt wird. Die Düsen in den Fig. 2 bis 5 weisen Stutzen 12 auf, die aus der Abschlussplatte herausragen. Fig. 3 zeigt einen Querschnitt der Abschlussplatte 9 mit einer seitlich geneigten Düse 5 mit einem Stutzen 12.

Fig. 6 zeigt beispielhaft und schematisch, wie Beschichtungsmedium 3 aus einer seitlich geneigten Düse 7 und zum Vergleich aus einer senkrechten Düse 8 in den Bereich 10 über dem Substrat 2 ausgetragen wird. Aus der seitlich geneigten Düse 7 wird ein schräger Strahl erzeugt, wodurch die Wirkung des Aufpralls auf die nach oben offenen feinen Kanäle 14 des Substrates 2 abgeschwächt wird. Auf diese Weise kann unerwünschtes Eindringen des Beschichtungsmediums 3 in die Kanäle 14 vor dem Einsaugen verhindert oder zumindest deutlich reduziert werden, was zu einer homogeneren Beschichtung führt. Die Fig. 7 und Fig. 8 zeigen Fotografien von Querschnitten von beschichteten Katalysatorträgern und verdeutlichen die Vorteile der Erfindung. Fig. 7 zeigt den Querschnitt eines beschichteten Katalysatorträgers gemäß dem Stand der Technik, der mit einem Applikator mit Auslassplatte mit senkrechten Düsen hergestellt wurde. Die obere beschichtete Zone ist dunkel und die untere unbeschichtete Zone heller. Die Beschichtung ist unregelmäßig in die Kanäle eingedrungen ist. Es sind erhebliche und zufällige Schwankungen über größere Domänen zu erkennen. Besonders auffällig sind kleinere Bereiche, in denen das Beschichtungsmedium in unerwünschter Weise relativ tief in die Kanäle eingedrungen ist. Fig. 8 zeigt den Querschnitt eines erfindungsgemäß beschichteten Katalysatorträgers. Der Träger und die Auflösung entsprechen Fig. 7, so dass die Produkte vergleichbar sind. In Fig. 8 ist zu erkennen, dass die Zonengrenze zwischen der dunklen beschichten Zone und der hellen nicht beschichteten Zone gleichmäßig und gerade ist. Signifikante Unregelmäßigkeiten, wie in Fig. 7, sind nicht vorhanden. Dabei ist zu beachten, dass die etwas dunklere Tönung einiger Abschnitte unterhalb der Zonengrenze nicht durch eingedrungenes Beschichtungsmedium, sondern durch Schatten verursacht ist. Die losen Bestandteile, die nur in Fig. 8 erkennbar sind, sind durch den Spaltprozess verursacht und für den Vergleich der Beschichtungen ebenfalls nicht von Betracht. Der Vergleich der Figuren 7 und 8 zeigt, dass mit dem erfindungsgemäßen Applikator mit seitlich geneigten Düsen eine erhebliche Verbesserung der Gleichmäßigkeit der Beschichtung erreicht werden kann.

Der erfindungsgemäße Applikator, das Applikatorsystem, die Vorrichtung, die Verfahren und die Verwendungen lösen die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt. Erfindungsgemäß wird es ermöglicht, Substrate, wie Katalysatorträger für Abgasreinigungsvorrichtungen, mit hoher Genauigkeit zu beschichten. Dies wird durch eine einfache konstruktive Maßnahme ermöglicht, so dass das Verfahren effizient, zügig und im industriellen Maßstab mit hohem Durchsatz durchführbar ist. Insbesondere wird ermöglicht, die feinen Kanäle von Katalysatorträgern für Abgasreinigungsvorrichtungen mit hoher Genauigkeit zu beschichten, wobei klar definierte Zonen erhalten werden können. Dies ermöglicht signifikante Einsparungen von teuren katalytischen Materialien, insbesondere Edelmetallen oder seltenen Erden, und die Bereitstellung besonders leistungsfähiger Abgasreinigungsvorrichtungen und weiterer katalytischer Vorrichtungen. Bezuqszeichenliste:

1 Applikator

2 zu beschichtendes Substrat 3 Beschichtungsmedium

4 Zuleitungsbereich innerhalb des Applikators (1)

5 Düse in der Abschlussplatte (9)

6 Hohlraum innerhalb des Applikators (1)

7 geneigte Düse 8 gerade Düse

9 Abschlussplatte

10 Bereich oberhalb des Substrates

11 Kragen, der den Bereich (10) abgrenzt

12 Stutzen 13 Mittel zum Einsaugen des Beschichtungsmediums

14 parallele Kanäle im Substrat (2)

15 Mittel zum Fixieren des Substrates

16 Zonengrenze