Wabenkörper aus Blechlagen mit Verstärkungsstrukturen

Die Erfindung betrifft einen Wabenkörper mit für ein Fluid von einer Stirnseite zur anderen durchlässigen Kanälen, insbesondere für einen katalyti¬ schen Reaktor für Abgase einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahr- zeuges, aus strukturierten oder glatten und strukturierten, insbesondere gewellten, Blechlagen.

Wabenkörper aus Blechlagen der genannten Art sind beispielsweise aus der WO-89 07 488 bekannt. Dabei sind glatte und gewellte Bleche stapelweise abwechselnd aufeinandergeschichtet und verschlungen. Einige wenige der Blechlagen sind dicker ausgeführt als die übrigen. Die dickeren Blechlagen dienen zur Erhöhung der Stabilität des Stapels, insbesondere dann, wenn dieser in ein Mantelrohr eingefügt wird. Das Bereitstellen einzelner, unter¬ schiedlich dicker Blechlagen in dem Stapel ist jedoch mit einem erhöhten Herstellungsaufwand verbunden.

In bestimmten Anwendungen eines Wabenkörpers ist das Bereitstellen von einzelnen dickeren Blechlagen zur Erhöhung der Stabilität nicht erforderlich. Weiterhin ist es grundsätzlich vorteilhaft, zur Reduzierung der Masse und der Kosten des Wabenkörpers, die Blechlagen so dünn wie möglich zu machen. Dieses Ziel steht jedoch im Gegensatz zum Ziel einer hohen Stabilität des Wabenkörpers und einer Langzeitbeständigkeit gegen Korrosion. Obwohl in den meisten Bereichen eines Wabenkörpers nur Belastungen auftreten, die auch von sehr dünnen Folien ausgehalten werden können, gibt

es doch zwei Schwierigkeiten bei der Verwendung von Folien mit einer Dicke unter 40 μ, insbesondere z.B. etwa 30 μ. Einerseits ist die Her¬ stellung und dabei besonders die mechanische Verbindung der Folien unter¬ einander und/oder mit einem Mantelrohr bei dünnen Folien schwierig. Vor allem beim Löten oder Schweißen so dünner Folien entstehen sehr leicht Löcher. Andererseits sind die Stirnseiten solcher Wabenkörper im Betrieb besonderen mechanischen Belastungen durch pulsierende Strömungen und einer besonderen Korrosion und Erosion ausgesetzt.

Es gibt auch Anwendungsfälle für metallische Wabenkörper, z.B. bei Ab¬ gasreinigungsvorrichtungen in motorisierten Zweirädern, bei denen wegen hoher mechanischer und/oder korrosiver Belastungen bisher relativ dicke Folien mit einer Dicke zwischen 80 und 120 μ eingesetzt werden. Tat¬ sächlich liegt dabei, wie Untersuchungen ergaben, die Belastung oft nur im stirnseitigen Bereich.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Wabenkörper mit ausreichender Stabilität für verschiedene Anwendungsfälle und möglichst geringer Masse zu schaffen, der beständig gegen Korrosion und mechanisch stabil ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Wabenkörper mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. 9. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen dieses Wabenkörpers sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Ein Wabenkörper gemäß der Erfindung ist aus strukturierten oder abwech¬ selnden im wesentlichen glatten und strukturierten Blechlagen aufgebaut. Die strukturierten Blechlagen sind vorzugsweise gewellt. Durch die abwechselnde Anordnung von im wesentlich glatten und strukturierten Blechlagen oder von unterschiedlich strukturierten Blechlagen werden Kanäle gebildet, die von

einem Fluid von einer Stirnseite zur anderen durchströmt werden können. Der Wabenkörper eignet sich insbesondere für einen katalytischen Reaktor für Abgase einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeuges. Die Wände der Kanäle des Wabenkörpers tragen dazu eine katalytische Beschich- tung, die von den Abgasen der Verbrennungskraftmaschine angeströmt wird. Zumindest ein Teil der Blechlagen hat erfindungsgemäß eine Dicke von weniger als 40 μ, insbesondere etwa 30 μ.

Gewöhnlich haben alle Blechlagen eines Wabenkörpers eine bestimmte, gleiche -Dicke von typischerweise etwa 40 bis 60 μ. Zur Reduzierung der Masse des Wabenkörpers wird gemäß der vorliegenden Erfindung die Dicke zumindest eines Teils der Blechlagen unter 40 μ reduziert, vorzugsweise die Dicke aller Blechlagen. Um trotzdem eine genügende mechanische Stabilität zu erreichen sind zumindest diejenigen Bleche, deren Dicke unter 40 μ liegt, mit zusätzlichen Verstärkungsstrukturen versehen.

Besonders wichtig sind solche Verstärkungsstrukturen im Bereich der Stirn¬ seiten, wo die höchsten mechanischen Belastungen auftreten und wo bevor¬ zugt die fügetechnischen Verbindungen der Blechlagen untereinander ange- bracht werden. Beim Löten kann es z.B. zu Auflegierungen des Grund¬ materials durch Lot kommen, so daß bei sehr dünnem Grundmaterial starke Veränderungen der Eigenschaften entstehen können. Verstärkt man das Material in den zu lötenden Bereichen, so tritt dieses Problem nicht auf.

Besonders einfach läßt sich eine Verstärkung an den Stirnseiten durch Umfalzen der Ränder der Blechlagen erreichen. Dadurch wird in dem Umgefalzten Bereich die Dicke der Blechlagen verdoppelt, ohne daß sich die Masse des Wabenkörpers wesentlich erhöht oder seine sonstigen Eigenschaf¬ ten negativ beeinflußt werden. Bei einer Anbindung der Umgefalzten Ränder an die benachbarten Blechlagen, beispielsweise durch Löten, kann sogar

unter Umständen eine gewisse zusätzliche Elastizität des Wabenkörpers gegenüber thermischen Wechselbelastungen erreicht werden.

Umfalzungen können auch an den Enden derjenigen Bleche, die mit einem Mantelrohr fügetechnisch verbunden werden, von Vorteil sein. Auch hier ist eine Verstärkung bei der Herstellung haltbarer Verbindungen wichtig.

Besonders vorteilhaft ist es auch, wenn die strukturierten Blechlagen trans¬ versal zur Hauptstrukturierung eine zusätzliche Strukturierung aufweisen, wie sie beispielsweise in der EP 0 454 712 Bl beschrieben ist. Diese zusätzli¬ che Strukturierung hat eine wesentlich kleinere Amplitude als die Haupt- strukturierung und dient ursprünglich zur Beeinflussung eines durch den Wabenkörper strömenden Fluids, um den Kontakt des Fluids mit den Wän¬ den der Waben zu verbessern. Die erfindungsgemäß eingesetzten dünnen Bleche lassen sich sogar leichter transversal strukturieren und wellen als Bleche mit einer Dicke über 40 μ. Überrschenderweise verbessert eine solche Mikrostrukturierung auch die mechanischen Eigenschaften der dünnen Bleche, so daß unerwünschte Verformungen der Bleche während der Her¬ stellung vermieden werden können. Dies gilt insbesondere für Mikrostruktu- ren, die in zwei sich kreuzenden Richtungen schräg zur Durchströmungs¬ richtung des Wabenkörpers verlaufen.

Gemäß dem Anspruch 9 löst die Erfindung auch die Probleme für Anwen¬ dungsfälle mit hoher mechanischer und/oder korrosiver Belastung im stirnsei- tigen Bereich. Durch Umfalzen der stirnseitigen Ränder kann generell jede Folie unabhängig von ihrer Ausgangsdicke im Randbereich verstärkt werden, so daß auch für extreme Anwendungsfälle erfindungsgemäß dünnere Folien als bisher, dafür aber mit Verstärkungen im Randbereich eingesetzt werden können.

Weitere Vorteile, Ausgestaltungen und Anwendungsmöglichkeiten der vor¬ liegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 einen Wabenkörper kurz vor seiner Fertigstellung,

Fig. 2 eine quergeschnittene perspektivische Ansicht eines Stückes einer gewellten Blechlage und

Fig. 3 einen schematischen Ausschnitt aus einem Wabenkörper zur Ver¬ deutlichung gekreuzter MikroStrukturen.

Figur 1 zeigt einen Wabenkörper in schematischer Darstellung kurz vor seiner Fertigstellung. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist ein aus Blech- lagen spiralförmig aufgewickelter Wabenkörper gezeigt, jedoch gelten die folgenden Ausführungen auch für andere Typen von Wabenkörpern, ins¬ besondere solche mit S-förmig verschlungenen Blechlagen oder anderweitig gewickelte und geschichtete Wabenkörper. Der Wabenkörper 1 ist aus abwechselnd angeordneten glatten 2 und gewellten 3 Blechlagen aufgebaut. Die Wellstruktur der gewellten Blechlagen 3 führt beim fertigen Wabenkör¬ per zu Kanälen 4, die in einer Strömungsrichtung S von einer Stirnseite 7 zur anderen von einem Abgas durchströmbar sind. Die gewellte Blechlage 3 und/oder die glatte Blechlage 2 können aus Folien mit einer Dicke unter 40 μ, insbesondere etwa 30 μ, gebildet sein. Zur Versteifung so dünner Folien ist es vorteilhaft, MikroStrukturen 5 vorzusehen, welche eine Höhe bzw. Tiefe von z.B. 10 - 50 μ aufweisen können. Sie sind damit zwar wesentlich kleiner als die Dimensionen der Kanäle 4, jedoch in einer Größenordnung, die eine signifikante mechanische Verstärkung der dünnen Blechlagen 2, 3 bewirkt.

Alternativ und/oder additiv zu den MikroStrukturen 5 können die Ränder der Blechlagen 2, 3 mit einer Breite b umgefalzt sein. Der umgefalzte Bereich 9 hat dann die doppelte Dicke, so daß die Randbereiche in ihrem Verhalten konventionellen Blechlagen etwa entsprechen. Insgesamt ergibt sich dadurch für die Handhabbarkeit der Bleche und die Möglichkeiten ihrer fügetechni¬ schen Verbindungen eine Situation, die der bei herkömmlichen Wabenkörpern entspricht. Die umgefalzten Bleche können daher im übrigen nach bekannten Herstellungsmethoden verarbeitet werden. Die gleichen Vorteile lassen sich durch Umfalzen der Endbereiche 8 derjenigen Blechlagen 2, 3 erreichen, die an ein (hier nicht dargestelltes) Mantelrohr fügetechnisch angebunden werden sollen. Auch hier bewirkt das Umfalzen eine Situation, die der bei her¬ kömmlichen Wabenkörpern entspricht, so daß übliche fügetechnische Ver¬ bindungen, wie z.B. Löten oder Schweißen, auch für die Anbindung dünner Blechlagen an ein Mantelrohr benutzt werden können.

Figur 2 zeigt in nicht maßstabgerechter Darstellung den prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäß an den Rändern gefalzten gewellten Bleches 3. Die umgefalzten Randbereiche 9 bewirken auf einer Breite b eine Verstärkung, so daß die Stirnseiten 7 sowohl mechanisch, als auch in Bezug auf füge- technische Verbindungen stabiler als die herkömmlicher Wabenkörper ohne Verstärkungen sind. So erhalten beispielsweise Folien einer Dicke von 30 μ fast die mechanischen Eigenschaften von 60 μ-Folie. Bei Folien von 50 μ kann eine Stabilität wie bisher bei etwa 100 μ Dicke erreicht werden. Gleichzeitig bleibt aber die Masse des gesamten Wabenkörpers relativ gering, so daß insbesondere das Kaltstartverhalten verbessert wird.

Figur 3 veranschaulicht den Verlauf von MikroStrukturen 5, die so ausgebil¬ det sind, daß sie sich in Kreuzungspunkten 6 überkreuzen. Der hier darge¬ stellte Ausschnitt aus einem Wabenkörper zeigt ein gewelltes Blech 3 mit sich kreuzenden 6 MikroStrukturen 5. Solche gekreuzten MikroStrukturen

haben nicht nur bei gewellten Blechen, sondern natürlich auch bei glatten Blechlagen 2 erhebliche Vorteile, da sie diesen Blechen eine erhöhte mecha¬ nische Steifigkeit verleihen, ohne jedoch ihre Flexibilität im Fertigungsablauf zu sehr einzuschränken.

Es sei darauf hingewiesen, daß die vorliegende Erfindung für die Anwen¬ dung bei allen bekannten aus Blechlagen aufgebauten Wabenkörpern geeignet ist, unabhängig davon, welche Bauform verwendet wird und welche Füge¬ technik zur mechanischen Stabilisierung eingesetzt wird. Besonders vorteilhaft ist die Erfindung für Wabenkörper, die aus einem S-förmig verschlungenen Stapel von Blechlagen hergestellt sind. Außerdem eignet sich die Erfindung auch besonders gut für Wabenkörper die aus abwechselnden unterschiedlich gewellten Blechlagen aufgebaut sind.

Wabenkörper mit erfindungsgemäß verringerter Dicke zumindest eines Teils der Blechlagen und zusätzlichen Verstärkungsstrukturen eignen sich besonders für Anwendungen, bei denen keine extremen Korrosionsbeanspruchungen auftreten. Wabenkörper mit üblicher Blechdicke und Verstärkungsstrukturen eignen sich jetzt auch für Anwendungsfälle, in denen wegen hoher Belastun- gen bisher dickere Bleche eingesetzt wurden.

Bei Wabenkörpern, insbesondere solchen, die im motornahen Bereich eines Kraftfahrzeuges eingesetzt werden, kann es für das Verhalten in der Kalt¬ startphase und bei späteren Wiederstarts auf die axiale Verteilung der Masse ankommen. Auch dafür können Umfalzungen gezielt eingesetzt werden, um die Masse in Teilbereichen zu erhöhen oder nicht.

Die Umfalzungen erlauben es auch, in elektrisch beheizbaren Katalysatoren den elektrischen Widerstand, seine axiale Verteilung und die bei der elek- irischen Beheizung entstehende Wärmeverteilung gezielt zu beeinflussen.

Gefalzte Blechlagen können dabei in vielen bekannten Bautypen für Heizkata¬ lysatoren statt der üblichen Blechlagen eingesetzt werden, ohne daß sich am prinzipiellen Aufbau und am Herstellungsverfahren wesentliche Veränderungen ergeben. Bei durch Luftspalte elektrisch unterteilten Wabenkörpern tragen die gefalzten Bleche, die vorzugsweise bei allen Blechlagen eingesetzt werden, zur Stabilisierung bei und sind unempfindlich gegen mechanische Belastungen der Stirnseiten. Gleichzeitig bilden die umgefalzten Bereiche wegen der dort erzeugten (gegenüber den übrigen Bereichen verdoppelten) ohm'schen Wärme besonders heiße (axiale) Zonen, was für das schnelle Ansprechen des Kataly- sators sehr vorteilhaft sein kann.

Bezugszeichenliste

1 Wabenkörper

2 glattes Blech

3 strukturiertes (gewelltes) Blech

4 Kanal

5 MikroStruktur

6 Kreuzungspunkt von MikroStrukturen

7 Stirnseite

8 gefalzter Endbereich

9 gefalzter Randbereich

S Durchströmungsrichtung b Falzbreite