Die Erfindung betrifft einen Wabenkörper mit einer Achse, umfassend zumindest einen Stapel, der mindestens ein Blech aufweist und in dem Kanäle definiert sind, durch die der

Wabenkörper von einem Fluid im wesentlichen parallel zu der Achse durchströmbar ist, welcher Stapel zumindest einen Windungsabschnitt aufweist, der um die Achse gewunden ist, wobei in dem Wabeπkörper ein diesem zugehöriger Schraubensinπ definiert ist.

Wabenkörper aus aufgewickelten oder anderweitig verschlungenen Stapeln aus zumindest teilweise gewellten, gefalteten oder ähnlich strukturierten Blechen finden vielfältige Verwendung als Trägerkörper für Katalysatoren, die zur katalysierten Umsetzung reagibler Bestandteile von Fluiden bestimmt sind. Ein wichtiges Anwendungsgebiet für Wabenkörper mit Katalysatoren ist die katalysierte Reinigung von Abgasen aus Brennkraftmaschinen, insbesondere aus Brennkraftmaschiπen in Kraftfahrzeugen. Hierzu werden Wabenkörper, die mit

Katalysatoren beschichtet sind, in den Abgassystemen der Brennkraftmaschinen installiert und von den Abgasen, die beim Betrieb der Brennkraftmaschinen anfallen, durchströmt. Möglichkeiten zur Bildung metallischer Wabenkörper aus gestapelten, aufgewickelten oder auf andere Weise verscnlungenen Blechen, die glatt und/oder strukturiert sind, sind in der Patentschrift EP 0 245 737 Bl sowie den Patentanmeldungen WO 89/07488 AI, WO 89/10471 AI sowie WO 90/03220 AI beschrieben.

Aus der DE 39 03 879 AI geht ein elektrisch beheizbarer Wabenkörper hervor, der in einem Lasersystem als Trägerkörper für einen Katalysator verwendet werden kann.

Das Aufwickeln oder Verschlingen der Bleche erfolgt stets in der Weise, daß die Bleche um zumindest eine vorgegebene Achse

gewunden werden; für den Fall, daß mehrere Achsen vorhanden sind - siehe hierzu insbesondere EP 0 245 737 Bl - sind alle Achsen zueinander parallel. In der EP 0 245 737 Bl ist auch ein Wabenkörper beschrieben, der durch Verschlingung eines Stapels von Blechen gebildet wird, wobei alle den Stapel bildenden Bleche gewellt sind und die Wellungen von jeweils zwei aufeinanderliegenden Blechen nicht parallel zueinander sind, sondern einander kreuzen. Auf diese Weise kommunizieren die zwischen jeweils zwei Blechen gebildeten Kanäle unterein- ander, wodurch in einem den Wabenkörper durchströmenden Fluid Wirbel hervorgerufen werden, die die Wechselwirkung des Fluides mit der (im Anwendungsfall mit einem Katalysator beschichteten) Wand des Wabenkörpers intensivieren.

Speziell ein Wabenkörper mit Katalysator zur Umsetzung von Schadstoffen in den Abgasen einer Brennkraftmaschine ist während des Betriebs erheblichen thermischen Belastungen ausgesetzt, da die die Schadstoffe umsetzenden katalysierten Reaktionen in der Regel exotherm sind. Der Wabenkörper wird während des Betriebs auf Temperaturen bis 1000 "C und darüber aufgeheizt, wobei die jeweils erreichte Temperatur stark von dem Betriebszustand der Brennkraftmaschine abhängt. Aus den je nach Betriebszustand wechselnden thermischen Belastungen des Wabenkörpers resultiert eine erhebliche mechanische Wechselbelastung der die Kanäle bildenden Matrix des

Wabenkörpers aufgrund der mechanischen Spannungen, die αurch die wechselnde Erwärmung und Abkühlung der Matrix hervorgerufen wird. Um die mechanischen Beanspruchungen in einem metallischen Wabenkörper zu beherrschen, sind verschiedene optimierte Bauformen für Wabenkörper der genannten Art entwickelt worden; sie werden in den zitierten Verö fentlichungen, nebst den dort zitierten Dokumenten, eingehend beschrieben. Allen Vorschlägen des Standes der Technik ist gemeinsam, daß Strukturen gebildet werden, die unter den maximal auftretenden thermischen Spannungen stabil bleiben; Möglichkeiten zur definierten, die Struktur nicht

schädigenden Ableitung der mechanischen Spannungen sind lediglich gegeben durch die Kompressibilität der Struktur aufgrund der Verwendung gewellter Bleche.

Demgegenüber soll mit vorliegender Erfindung ein Wabenkörper angegeben werden, der in besonderem Maße den kontrollierten Abbau von mechanischen Spannungen durch definierte Strukturveränderung gestattet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen

Wabenkörper mit einer Achse, welcher Wabenkörper zumindest einen Stapel umfaßt, in dem Kanäle definiert sind, durch die der Wabenkörper von einem Fluid im wesentlichen parallel zu der Achse durchströmbar ist, wobei a) der Stapel zumindest einen Windungsabschnitt aufweist, der um die Achse gewunden ist; b) an dem Windungsabschnitt zumindest eine Zwischenlage anliegt, die aus zwei Blechen besteht, die dicht aufeinander liegen, jedoch nicht unmittelbar aneinander fixiert sind, und Wellen aufweisen, deren jede nach Art einer Schraubenlinie um die Achse herumgeführt ist und die einen dem Wabenkörper zugehörigen Schraubensinπ definieren.

Der erfinduπgsgemäße Wabenkörper zeichnet sich aus durch eine Struktur, der ein Schraubeπsiπn aufgeprägt ist; dieser Schraubensinn ist definiert durch zwei Bleche, die dicht aufeinanderliegen, jedoch nicht unmittelbar aneinander fixiert sind und somit aufeinander gleiten können. Diese Bleche weisen Wellen auf, die nach Art einer Schraubenlinie um die Achse herumgeführt sind. Wird dieser Wabenkörper erhitzt, so entstehen Spannungen, die u. a. zu einer Längsausdehnung der Bleche, aus denen der Wabenkörper aufgebaut ist, führen können; die Struktur des Wabenkörpers gestattet es, daß der gewundene Stapel entlang der Wellen der beiden aufeinanderliegenden Bleche eine Schraubenbewegung ausführt,

wodurch die Spannungen kompensiert werden können. Die

SchrauDenbewegung führt zu einer gewissen Formänderung des Wabenkörpers; die Bereiche des Wabenkörpers verschieben sich axial relativ zu den entfernt von der Achse liegenden Bereichen; bei einem Wabenkörper, der in kaltem Zustand durch ebene, senkrecht zur Achse liegende Stirnflächen begrenzt ist, werden unter thermischer Belastung die Stirnflächen glockenartig verformt.

Vorteilhafterweise ist in dem Stapel jeder Kanal etwa parallel zur Achse ausgerichtet. Zur Bildung eines solchen Stapels stehen vielfältige, an sich bekannte Möglichkeiten bereit.

Es ist zu bemerken, daß im allgemeinen ein Wabeπkörper mit Schraubensinn nicht realisiert werden kann, indem gemäß der EP 0 245 737 Bl ein Stapel aus gewellten Blechen, worin jeweils zwei aufeinanderliegende Bleche Wellen aufweisen, die einander kreuzen, S-förmig verschlungen wird. Die gewundenen Abschnitte des Stapels können zwar jeweils für sich einen Schraubensinn definieren; dies ist beispielsweise dann der

Fall, wenn der Stapel aus zwei Gruppen von Blechen geschichtet ist und die Wellung einer ersten Gruppe parallel zu der Achse des Wabenkörpers und die Wellung einer zweiten Gruppe winkelig zu der Achse verläuft. In jedem Fall jedoch sind die Schraubensinne der beiden Windungsabschπitte entgegengesetzt zueinander, so daß dem Wabenkörper in seiner Gesamtheit kein Schraubensinn mehr zuzuordnen ist. Die Bildung eines erfindungsgemäßen Wabenkörpers mit zugehörigem Schraubensinn durch S-förmige Verschlingung eines Stapels von Blechen ist gleichwohl möglich; Beispiele hierzu sind in der Zeichnungsbeschreibung erläutert.

Eine günstige Weiterbildung des Wabenkörpers ist dadurch gekennzeichnet, daß der Stapel aus zumindest einem im wesentlichen glatten Blech und zumindest einem gewellten Blech besteht. Das gewellte Blech hat dabei gemäß obiger

Ausführungen Wellen aufzuweisen, die zur Bildung der achsenparalleleπ Kanäle parallel zu der Achse des aufzubauen¬ den Wabenkörpers ausgerichtet sein müssen. Die Masse der aus zwei aufeinanderliegenden Blechen bestehenden Zwischenlage entspricht etwa der doppelten Masse eines gewellten Bleches in dem Stapel, so daß unter Aufwendung der für die Zwischenlage notwendigen Masse eine Vielzahl von achsenparallelen Kanälen bildbar ist. Dadurch, daß die Dicke des Stapels, die ja im wesentlichen durch die Höhe der Strukturen der gewellten Bleche gegeben ist, auf die Dicke der Zwischenlage abgestimmt wird, kann unter Wahrung aller Vorteile der Erfindung ein relativ leichter Wabenkörper gebildet werden, der dementsprechend leicht erwärmbar ist, was für die Anwendung als Katalysatorträger im Abgassystem eines Kraftfahrzeuges Vorteile bringen kann.

Um die Zwischenlage besonders günstig an einen aus im wesentlichen glatten und gewellten Blechen bestehenden Stapel anbinden zu können, ist der Stapel vorteilhafterweise von im wesentlichen glatten Blechen begrenzt; unter Vermeidung gleichartiger aufeinanderliegender Bleche ist mithin in dem Stapel zwischen jeweils zwei im wesentlichen glatten Blechen ein gewelltes Blech angeordnet.

in vorteilhafter Weiterbildung ist in einem erfindungsgemäßen Wabenkörper, der durch zwei etwa senkrecht zu der Achse liegende Stirnflächen begrenzt ist, die Zwischenlage von zumindest einer, vorzugsweise von beiden, dieser Stirnflächen beabstandet. Ein Wabenkörper, in dem die Zwischenlage von der Stirnfläche beabstandet ist, kann zur Festigung seiner Struktur verlötet werden, indem nach dem Aufbau die Stirnfläche, von der die Zwischenlage beabstandet ist, mit Lot versehen wird; eine anderweitige Einbringung des Lotes, beispielsweise durch Auftragen auf die den Stapel bildenden Bleche vor dem Zusammenbau, ist entbehrlich, und der Herstellungsprozeß wird wesentlich vereinfacht.

Im Rahmen einer besonders günstigen Weiterbildung des Wabenkörpers kann, gegebenenfalls zusätzlich zu weiteren Ausgestaltungen, zwischen die zur Zwischenlage gehörigen Bleche eine Schicht aus einem hochtemperaturfesten Isolierstoff, beispielsweise einem keramischen, insbesondere einem oxidkeramischen Stoff, eingefügt sein. Auf diese Weise sind die Bleche der Zwischenlage gegeneinander elektrisch isoliert. Die Erfindung kann damit weitergebildet werden als elektrisch beheizbarer Wabenkörper, in dem die Zwischenlage zusätzlich zu der erfindungsgemäßen Funktion des Abbaus mechanischer Spannungen dazu dienen kann, den Wabenkörper so zu segmentieren, daß ein durch den Wabenkörper geleiteter elektrischer Strom einen möglichst langen Weg zu nehmen hat. Damit wird der elektrische Widerstand des Wabenkörpers, der cei WaDenkörpern ohne Isolierschichten bestenfalls einige tausendstel Ohm beträgt, in vorteilhafter Weise erhöht. Günstigerweise ist die Schicht ausgeführt als auf einem der Bleche haftende Beschichtung; es kann besonders günstig sein, wenn beide Bleche solche Beschichtungen aufweisen.

Im Rahmen einer anderen, ggf. zusätzlichen Weiterbildung weist jeder Stapel zwei Windungsabschnitte auf, die durch Falten des Stapels um eine Knicklinie parallel zu der Achse übereinander angeordnet sind, wobei die Zwischenlage zwischen den Windungsabschnitten liegt. Somit ist es möglich, Stapel und

Zwischenlage vor dem eigentlichen Zusammenbau des Wabenkörpers zu einer Einheit zusammenzufassen, was die Herstellung des Wabenkörpers u. U. erleichtern kann. Zur Herstellung des Wabenkörpers werden vorteilhafterweise drei Stapel zusammengefaßt, wodurch ein Wabenkörper der in der

WO 90/03220 AI beschriebenen Art entsteht. Hierbei ist selbstverständlich darauf zu achten, daß die Wellen der Zwischenlagen der zumindest drei Stapel in ihrer geometrischen Anordnung so aufeinander abgestimmt sind, daß in dem aufzubauenden Wabenkörper alle Stapel jeweils denselben Schraubensinn definieren.

Eine weitere Ausbildung ist ein Wabeπkörper, in dem der Stapel zwei Windungsabschnitte aufweist, die S-förmig verschlungen sind und wobei zwischen den Windungsabschnitten jeweils eine Zwischenlage angeordnet ist. Durch S-förmige Verschlingung eines Stapels entsteht ein bekanntermaßen besonders stabiler und belastbarer Wabenkörper - siehe EP 0 245 737 Bl -, dessen Eigenschaften durch Einbeziehung der Lehren der Erfindung weiter verbessert werden können.

Weiterhin ist es möglich, einen Wabenkörper durch spiralförmige Windung eines Windungsabschnittes um die Achse zu erstellen; etwa spiralig gewundene Windungsabschnitte kann im übrigen auch ein durch S-förmige Verschlingung eines Stapels gebildeter Wabenkörper aufweisen. Sind durch spiraliges Aufwickeln zumindest eines Windungsabschnittes in radialer Richtung bezüglich der Achse mehrere Schichten gebildet, so ist günstigerweise zwischen jeweils zwei Schichten eine Zwischenlage nach der Erfindung angeordnet.

Ein erfindungsgemäßer Wabeπkörper eignet sich besonders als Träger für einen Katalysator, insbesondere als Träger für einen Katalysator, der in einem den Wabenkörper durchströmen¬ den Fluid eine mehr oder weniger stark exotherme Reaktion bewirken soll. Solche Katalysatoren finden beispielsweise Anwendung zur Umsetzung von Schadstoffen in den Abgasen von

Brennkraftmaschinen, beispielsweise Ottomotoren. Entsprechend wird der Wabenkörper vorzugsweise in die Abgasanlage einer Brennkraftmaschine integriert; zu diesem Zweck erhält er eine Beschichtung, die den Katalysator zur Umsetzung der Schadstoffe im dem Abgas enthält.

Die weitere Erläuterung der Erfindung erfolgt anhand der in der Zeichnung teilweise schematisiert und, wo zur Verdeutlichung der Erfindung nützlich, leicht verzerrt dargestellten Ausführungsbeispiele; im einzelnen zeigen:

Figur 1 den Aufbau eines erfindungsgemäßen Wabenkörpers mit

Schraubensinn;

Figur 2 einen Stapel von Blechen mit Zwischenlage zum Aufbau eines erfindungsgemäßen Wabenkörpers; Figur 3 und Figur 4 Ausführungsbeispiele zur Bildung eines erfindungsgemäßen Wabenkörpers durch S-förmige Verschlingung zumindest eines Blechstapels;

Figur 5 ein Beispiel für die Einfügung einer Schicht aus

Isolierstoff zwischen die Bleche der Zwischenlage; Figur 6 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen

Wabenkörper mit drei Stapeln.

Figur 1 zeigt, wie ein Wabenkörper 1 durch Aufwickeln eines Windungsabschnittes 7 um eine Achse 2 gebildet wird. Die Achse 2 tritt aus einer Stirnfläche 12 des Wabenkörpers 1 aus. Der Winαungsabschnitt 7 ist Teil eines Stapels 3, der durch abwechselndes Schichten glatter Bleche 4 und gewellter Bleche 5 gebildet ist. Zwischen jeweils einem glatten Blech 4 und einem gewellten Blech ^" 5 sind Kanäle 6 gebildet, die im wesentlichen parallel zu der Achse 2 sind. Zu bemerken ist, daß der Stapel 3 auch anders strukturiert sein könnte, beispielsweise aus Blechen, die jeweils eine von zwei verschiedenen Wellungen aufweisen.

Eine an αem Windungsabschnitt 7 anliegende Zwischenlage 8 ist gebildet aus zwei aufeinanderliegenden Blechen 9 und 10. Die Bleche 9 und 10 sind nicht unmittelbar aneinander fixiert, sei es durch Reibung oder durch eine feste Verbindung, wie z. B. eine Lötstelle zwischen ihnen; sie können vielmehr aufeinander gleiten. Dieser Aspekt ist zu berücksichtigen, wenn in dem Wabenkörper 1 zur Fixierung der Bleche 4, 5, 9 und 10 untereinander Lotungen vorgenommen werden; die Verschiebbarkeit der Bleche 9 und 10 der Zwischenlage 8 aufeinander muß auch nach einer solchen Lötung gewährleistet sein. Hierfür gibt es mehrere Möglichkeiten: So kann vor dem Zusammenbau des Wabenkörpers 1 der Stapel 3 mit Lot versehen

werden, Devor die Zwischenlage 8 hinzugefügt wird; z. B. können die glatten Bleche 4 und/oder die gewellten Bleche 5 vor der Schichtung des Stapels 3 mit einem Lotbelag versehen werden. Andere Möglichkeiten zur Gewährleistung der freien Verschiebbarkeit der die Zwischenlage 8 bildenden Bleche 9 und 10 gegeneinander bei einer Lötung oder dergleichen sind weiter unten erläutert. Die die Zwischenlage 8 bildenden Bleche 9 und 10 weisen Wellen 11 auf, die im Gegensatz zu den Wellen der gewellten Bleche 5 im Stapel 3 nicht parallel zu der Achse 2 sind, sondern mit dieser einen gewissen Winkel bilden. Nach Zusammenbau des Wabenkörpers 1 verlaufen die Wellen 11 im wesentlichen schraubenförmig um die Achse 2 herum. "Im wesentlichen schraubenförmig" bedeutet hierbei, daß gewisse Abweichungen von der Schraubenlinie mit erfaßt sein sollen; u. U. Können die Wellen 11 eher Linien entsprechen, die auf dem Mantel eines Kegels gewunden sind. Wird der Wabenkörper 1 erhitzt, so treten in ihm mechanische Spannungen auf, da die Bleche 5, 6, 9, 10 zur Ausdehnung neigen. Durch die hier getroffenen Maßnahmen ist ermöglicht, daß sich der Wabenkörper 1 unter thermischer Belastung durch eine kombinierte Schub-und Drehbewegung um die Achse 2 verformt, wobei die Bereiche des Wabeπkörpers 1 in der Nähe der Achse 2 entlang dieser Achse 2 verschoben werden. Der Wabenkörper 1 kann sich also thermischen Belastungen definiert, reversibel und ohne Schädigung seiner Struktur anpassen.

Figur 2 zeigt einen Stapel 3, dessen Aufbau nicht im einzelnen dargestellt ist. Er kann wie in Figur 1 ausgeführt sein. Er ist um eine Kπicklinie 13 gefaltet, wobei zwischen die nach Abschluß der Faltung aufeinanderliegenden Windungsabschnitte 7 des Stapels 3 die Zwischenlage 8 aus zwei gewellten Blechen 9 und 10 eingelegt ist. Ein solcher gefalteter Stapel 3 kann verwendet werden zum Aufbau eines Wabenkörpers nach der WO 90/03220 AI - siehe auch Figur 6. Ein besonderes Merkmal ist außerdem, daß die Zwischenlage 8 nicht bis zu der vorderen Stirnfläche 12 des Stapels 3, welche Stirnfläche 12

soäter auch einen Teil der entsprechenden Stirnfläche des

WaoenkörDers bildet, reicht. Dadurch, daß die Zwischenlage 8 einen gewissen Abstand zu der Stirnfläche 12 wahrt, ist es möglich, den Wabenkörper ohne vorherige Lotbeigabe aufzubauen unα anschließend von der Stirnseite 12 her mit Lot zu versehen, beispielsweise indem er in ein Bad oder Wirbelbett mit dem Lot getaucht wird. Die Distanz zwischen Stirnfl cne 12 und Zwischenlage 8 ist so zu bemessen, daß eine Benetzung der

Zwischenlage 8 mit Lot vermieden wird.

Figur 3 zeigt einen zweiteiligen Stapel 3 mit zwei Windungs¬ abschnitten 71 und 72, in den zwischen einem oberen Teil 31 und einem unteren Teil 32 die Zwischenlage 8 eingefügt ist. Die Wellen 11 der Zwischenlage 8 sind schematisiert dargestellt; die die Zwischeπlage 8 bildenden, aufeinanderliegenden Bleche sind in Figur 3 aus Gründen der Klarheit nicht gezeichnet. Dieser Stapel 3 ist geeignet, zur Bildung eines Wabenkörpers S-förmig verschlungen zu werden, wie es in der EP 0 245 737 Bl dargestellt ist. Die Verschlingung der beiden Windungsabschnitte 71 „und 72 um die Knicklinien 13 hat dabei in Richtung der in Figur 3 eingezeichneten Pfeile zu erfolgen. Die Achse des entstehenden Wabenkörpers liegt parallel zu den Knicklinien 13; aus Gründen der Einfachheit ist sie in Figur 3 nicht dargestellt. Die Anordnung der Wellen II der Zwischenlage 8 muß in den beiden Windungsaoschnitten 71 und 72 verschieden sein, da zwar jeder Windungsabschnitt 71, 72 einen Umlaufsinn um die Achse definiert, die Umlaufsiπne der beiden Winduπgsabschnitte 71, 72 jedoch entgegengesetzt zueinander sind. Um in dem aufzubauenden Wabenkörper durch die Zwischenlage 8 einen einheitlichen Schraubensinn zu definieren, müssen die Wellen 11 der Zwischenlage 8 in den beiden Windungsabschnitten 71, 72 entgegengesetzt zueinander sein. Um dies in Figur 3 zu illustrieren, ist der obere Teil 31 des Stapels 3 gegenüDer der Zwischenlage 8 und dem unteren Teil 32 nach hinten verschoben.

Figur 4 zeigt eine alternative Möglichkeit zur Bildung eines

Wabenkörpers unter S-förmiger Verschlingung eines Stapels 3.

Die Zwischenlage 81, 82 ist im dargestellten Beispiel zweiteilig, wobei der linke Teil 81 auf dem linken Windungsabschnitt 71, der rechte Teil 82 jedoch unter dem rechten Windungsabschnitt 72 angeordnet ist. Durch S-förmige

Verschlingung des Stapels 3 um sein Zentrum 14 werden die

Oberseiten und die Unterseiten der Windungsabschnitte 71, 72 jeweils aufeinander gefaltet. Auf diese Weise kommen beide Teile 81, 82 der Zwischenlage jeweils zwischen die

Windungsabschnitte 71, 72 zu liegen. Die Wellungen der beiden Teile 81, 82 der Zwischeπlage haben, wie dargestellt in Figur 3 und entsprechend erläutert, einander entgegeπgerichtet zu sein.

In Figur 5 ist anhand eines Querschnittes gezeigt, wie zwischen zwei Bleche 9 und 10, die in einem Wabenkörper eine Zwischenlage 8, 81, 82 bilden sollen, eine aus Isolierstoff bestehende Schicht 15 eingefügt werden kann. Die Schicht 15 haftet auf dem unteren Blech 9; sie kann beispielsweise durch Plasmaspritzen oder dergleichen aufgebracht worden sein. Um zu verdeutlichen, daß die Schicht 15 nicht mit dem oberen Blech 10 verbunden ist (damit das obere Blech 10 auf der Schicht 15 gleiten kann), ist das obere Blech 10 nur teilweise gezeichnet.

Figur 6 zeigt einen Wabenkörper 1, der drei spiralen- oder evolventenartig umeinander gewundene Stapel 3 aufweist. Wie anhand von Figur 2 erläutert, ist jeder Stapel 3 um eine Zwischenlage 8 gefaltet. Die Anordnung der Zwischenlagen 8 ist in Figur 6 durch gestrichelte Linien angedeutet.

Die Erfindung betrifft einen Wabenkörper mit einer Achse, in dem durch Einfügung einer strukturierten Zwischenlage ein Schraubensinn definiert ist, bezüglich dessen unter thermischer Beanspruchung eine definierte Verformung möglich

ist, ohne daß es zu einer Schädigung der inneren Struktur des wabenkörDers kommt. Aus diesem Grunde ist die thermische

Belastbarkeit des Wabenkörpers besonders hoch; sie ist im wesentlichen nur durch die Hochtemperaturfestigkeit der verwendeten Bleche bestimmt.