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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Wabenkörper sowie
ein Verfahren zum Löten eines Wabenkörpers, einen
nach einem solchen Verfahren hergestellten Wabenkörper,
eine Abgasanlage aufweisend zumindest einen solchen Wabenkörper
sowie ein Kraftfahrzeug mit zumindest einer entsprechenden Abgasanlage.
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Wabenkörper
werden beispielsweise in Abgassystemen von Kraftfahrzeugen, insbesondere Automobilen,
motorbetriebenen Zweirädern, Flugzeugen oder Wasserfahrzeugen
eingesetzt. Die möglichen Einsatzgebiete umfassen neben
dem Einsatz als Katalysator-Trägerkörper auch
insbesondere den Einsatz als Filterkörper. Wabenkörper
können keramisch und/oder metallisch ausgebildet sein und weisen
Kanäle auf, durch die das Abgas strömen kann.
Aus der
EP 0 436 533
B1 sind beispielsweise Wabenkörper bekannt, die
einen gegensinnig verschlungenen Stapel zumindest teilweise strukturierter
Bleche in einem Mantelrohr enthalten.
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Bei
den bekannten Herstellungsverfahren, wie sie bspw. aus der
WO 03/106027 A1 bekannt sind,
werden in einem ersten Schritt eine Vielzahl von zumindest teilweise
strukturierten Lagen zu einem Stapel angeordnet, so dass für
ein Abgas durchströmbare Kanäle gebildet werden.
Nachfolgend werden mehrere dieser Stapel mittels Formsegmenten zu
einem zylindrischen Wabenkörper geformt. Die einzelnen
Lagen eines solchen zylindrischen Wabenkörpers werden anschließend
regelmäßig verlötet. Zur Durchführung
des Lötvorgangs ist es jedoch erforderlich, den Wabenkörper
zuvor in ein Mantelrohr einzufügen, um damit die äußere
Gestalt des Wabenkörpers zu fixieren. Bei dem nachfolgenden Lötvorgang
wird der Wabenkörper untrennbar mit dem Mantelrohr verbunden.
Dieses Mantelrohr dient nunmehr auch zur Integration in ein mobiles
Abgassystem, wobei eine Schweißverbindung zu benachbarten
Abgasleitungen über das Mantelrohr ausgebildet ist.
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Diese
Herstellung metallischer Wabenkörper hat sich bereits sehr
gut bewährt. Allerdings besteht teilweise das Interesse,
die Nachrüstbarkeit von einer Vielzahl unterschiedlicher
Wabenkörper zu verbessern. Insbesondere bestehen hier aufgrund
der unterschiedlichen Lagerung bzw. Fixierung von keramischen und
metallischen Wabenkörpern technische Schwierigkeiten, denen
sich hier erstmalig angenommen werden soll.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, die mit Bezug auf den Stand der Technik
geschilderten Probleme zumindest teilweise zu lösen und
insbesondere ein Verfahren zum Löten eines Wabenkörpers
anzugeben, das die Herstellung eines besonders leichten und kostengünstigen
Wabenkörpers ermöglicht. Ferner soll auch eine
Abgasanlage für ein Kraftfahrzeug mit einem besonders leichten
und kostengünstigen Wabenkörper angegeben werden.
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Diese
Aufgaben werden gelöst gemäß den Merkmalen
der unabhängigen Ansprüche. Weitere vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängig formulierten
Patentansprüchen angegeben. Es ist darauf hinzuweisen,
dass die in den abhängig formulierten Patentansprüchen
einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch
sinnvoller, Weise miteinander kombiniert werden können und
weitere Ausgestaltungen der Erfindung definieren. Darüber
hinaus werden die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale
in der Beschreibung näher präzisiert und erläutert,
wobei weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt
werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren zum Löten
eines Wabenkörpers weist zumindest die folgenden Schritte
auf:
- – Bereitstellung des Wabenkörpers,
- – Einfügen des Wabenkörpers in ein
Fixiermittel,
- – Löten des Wabenköpers und
- – Entfernen des Fixiermittels vom Wabenkörper.
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Bevorzugt
ist, dass diese Schritte in der angegebenen Reihenfolge nacheinander
ausgeführt werden, wobei ggf. nur ein Transport der Komponenten
vorgenommen wird.
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Der
bereitgestellte Wabenkörper weist mindestens eine zumindest
teilweise strukturierte gewickelte, gestapelte oder gewundene Lage
auf. Bevorzugt ist der Wabenkörper jedoch durch eine Mehrzahl von
zumindest teilweise strukturierten Lagen und glatten Lagen gebildet,
die alternierend zu einem oder mehreren Stapeln geschichtet und
anschließend bspw. S-förmig, U-förmig
oder W-förmig miteinander verwunden werden. Bei den verwendeten
Lagen handelt es sich regelmäßig um Metallbleche
oder Metallfolien. Zur Ausgestaltung eines derartigen Wabenkörpers,
insbesondere im Hinblick auf die Anordnung der einzelnen Lagen zueinander,
sei an dieser Stelle auf die Dokumente
WO-A1-90/03220 ,
EP-A1-0245737 und
EP-A1-0831969 verwiesen,
deren Offenbarungsinhalt hier vollständig mit umfasst ist.
Wesentlich ist jedoch, dass der hier bereitgestellte Wabenkörper
kein Mantelrohr bzw. Trägerrohr aufweist bzw. ein solches
bei dem hier vorgeschlagenen erfindungsgemäßen
Verfahren zum Löten eines Wabenkörpers nicht erforderlich
ist. Der Wabenkörper kann in runder oder unrunder Form,
z. B. oval oder mehreckig, und bevorzugt mit einem Durchmesser von
30 bis 1.000 mm vorliegen.
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Anschließend
wird der bereitgestellte Wabenkörper in ein Fixiermittel
zumindest teilweise eingefügt. Dieses Fixiermittel kann
insbesondere aus Keramik oder Metall hergestellt sein und dient
(nur) zur Fixierung des Wabenkörpers während des
Lötvorgangs. Mit anderen Worten ist das Fixiermittel dazu
geeignet, die äußere Gestallt des Wabenkörpers
während des Lötvorgangs zu fixieren und insbesondere
die Rückbildung von elastischen Verformungen der Lagen
des Wabenkörpers über einen gewünschten
Außendurchmesser des Wabenkörpers hinaus zu verhindern.
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So
wird der Wabenkörper in dem Fixiermittel verlötet,
wobei der Wabenkörper vollständig oder partiell
auf eine Löttemperatur gebracht wird. Das Löten
kann insbesondere in einem Ofen, ggf. in einem Durchlaufofen, durchgeführt
werden, wobei die erforderlichen Temperaturen oberhalb von z. B.
800°C mit einem gewünschten zeitlichen Verlauf
eingestellt werden. Das Löten (Hartlöten) ist
regelmäßig in einer Schutzgasatmosphäre
(ggf. mit einem Vakuum) vorzunehmen. Dabei ist dieser Prozess so
eingestellt, dass keine (beachtlichen) Lötverbindungen
zwischen dem Fixiermittel und dem Wabenkörper sondern nur Lötverbindungen
zwischen den Lagen des Wabenkörpers entstehen. Nur der
Vollständigkeit halbersei hier angemerkt, dass auch ein
reines Diffusionslöten stattfinden kann, bei dem die Lötverbindungen
nicht durch ein (zusätzliches) Lotmaterial sondern nur durch
Diffusionsanbindungen der metallischen Lagen im Kontaktbereich realisiert
sind. Auch Mischformen beider Arten von Lötverbindungen
sind möglich.
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Nach
dem Löten wird der Wabenkörper aus dem Fixiermittel
wieder entfernt. Dies kann bspw. mit Hilfe eines Stempels erfolgen,
der auf eine der Stirnflächen des Wabenkörpers
in Richtung einer Längsachse des Wabenkörpers
eine Kraft aufbringt und so den Wabenkörper aus dem Fixiermittel
drückt. Bevorzugt ist hier, dass zur Entfernung des Fixiermittels eine
Kraft, z. B. mit Hilfe eines Stempels, auf eine der Stirnflächen
des Wabenkörpers aufzubringen ist, die kleiner 1000 N (Newton),
besonders bevorzugt kleiner 500 N oder ganz besonders bevorzugt
kleiner 250 N ist.
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Selbstverständlich
kann diese Kraft zur Entfernung des Fixiermittels auch auf das Fixiermittel, oder
sogar auf das Fixiermittel und den Wabenkörper gleichzeitig aufgebracht
werden. Im letzteren Fall wird die Kraft auf das Fixiermittel und
die Kraft auf den Wabenkörper bevorzugt mit jeweils gegenläufigen
Kraftvektoren eingeleitet.
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Um
die Entfernung des Fixiermittels vom Wabenkörper zu erleichtern,
wird ferner vorgeschlagen, eine Kontaktfläche des Fixiermittels
mit einer Mantelfläche des Wabenkörpers zumindest
teilweise zu beschichten. Bei dieser Beschichtung kann es sich beispielsweise
um eine Beschichtung handeln, die das Anhaften von flüssigem
Lotmaterial zumindest teilweise verhindert. Insbesondere haben sich hierbei
Keramiken als geeignet erwiesen, wie zum Beispiel Oxide, insbesondere
Al2O3. Zur noch
weiteren Erleichterung der Entfernung des Fixiermittels vom Wabenkörper
kann das Fixiermittel auch in mehrere Hälften teilbar sein.
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In
Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass ein Lotmaterial
zumindest über eines der nachfolgenden Verfahren bereitgestellt
wird:
- – Bereitstellung über
das Fixiermittel und
- – Bereitstellung über zumindest eine der beiden Stirnflächen
des Wabenkörpers.
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Die
Bereitstellung von Lotmaterial über das Fixiermittel kann
bspw. durch Aufbringung von Lotmaterial auf den Kontaktbereich des
Fixiermittels mit einer Mantelfläche des Wabenkörpers
vor Einfügen des Wabenkörpers in das Fixiermittel
erfolgen. Hierdurch kann insbesondere die Mantelfläche
des Wabenkörpers (gezielt) belotet werden. Dabei kann das Lotmaterial
z. B. streifenförmig ausgebildet und auf dem Fixiermittel
(vorübergehend) haftend angeordnet sein.
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Gleichwohl
ist aber auch möglich, dass das (bevorzugt pulverförmige)
Lotmaterial nach dem Einfügen des Wabenkörpers
in das Fixiermittel bspw. über Kanäle im Fixiermittel
zur Verlötung des Wabenkörpers bereitgestellt
wird. Selbstverständlich kann das Lotmaterial auch über
eine der beiden Stirnflächen zumindest in einem Bereich
des Wabenkörpers bereitgestellt werden.
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Klarzustellen
sei hier, dass über die hier beschriebenen Verfahren zur
Bereitstellung von Lotmaterial auch Adhäsivmittel (z. B.
Leim) zur Anbringung von Lotmaterial in oder am Wabenkörper
bereitgestellt werden können.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung wird auch ein Wabenkörper
vorgeschlagen, der zumindest eine teilweise strukturierte Lage auf,
wobei die zumindest teilweise strukturierte Lage des Wabenkörpers
so mit sich selbst oder weiteren Lagen des Wabenkörpers
verlötet ist, dass der Wabenkörper allein formstabil
ist.
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Dabei
ist der Wabenkörper bevorzugt nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren zum Löten eines Wabenkörpers hergestellt.
Dies bedeutet insbesondere, dass der Wabenkörper nach dem
Löten und Entfernen des Fixiermittels seine äußeren
Gestalt im Wesentlichen nicht verändert.
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Folglich
wird so ein – auch unter den thermischen und dynamischen
Belastungen eines mobilen Abgassystems – formstabiler Wabenkörper
angegeben, dessen äußere Kontur (insbesondere
Mantelfläche) nur durch die miteinander verlöteten
Lagen definiert werden. Insbesondere sich die Lagen mit einem Mantel,
Gehäuse oder dergleichen fügetechnisch (z. B.
durch Schweißen und/oder Löten) verbunden. Die
Kontur (insbesondere Mantelfläche) wird folglich z. B.
durch Enden der Lagen definiert und durch die Lötverbindungen
fixiert. Insbesondere sind auch keine Schweißverbindungen
zwischen den Lagen ausgebildet, sondern nur Lötverbindungen (bzw.
Diffusionsverbindungen).
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Gemäß einer
Weiterbildung wird auch eine Abgasanlage vorgeschlagen, wobei die
Abgasanlage zumindest eine Abgasleitung mit zumindest einem erfindungsgemäßen
Wabenkörper aufweist. Bevorzugt ist hier, dass die Abgasleitung
eine Länge aufweist, die mindestens das 5-fache der Länge
des Wabenkörpers in Richtung seiner Längsachse
beträgt. Die Integration des Wabenkörpers erfolgt
aber nicht stoffschlüssig – es werden also hier
keine Schweißverbindungen oder Lötverbindungen
mit der Abgasleitung realisiert. Auch die hier angegebene Länge der
Abgasleitung soll erkennen lassen, dass hier kein übliches
Mantelrohr, sondern z. B. Schalldämpferbereiche der Abgasleitung
gemeint sind. Insbesondere sind damit auch die Abschnitte gemeint,
die bislang zur Lagerung von keramischen Wabenstrukturen dienten.
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Ebenfalls
vorteilhaft ist es, den zumindest einen Wabenkörper mit
Hilfe einer Fixiermatte formschlüssig oder kraftschlüssig
mit der Abgasleitung verbunden ist. Dies bedeutet insbesondere,
dass der Wabenkörper zumindest über einen Teil
seiner Mantelfläche mit Hilfe der elastischen Fixiermatte
in der Abgasleitung fixiert ist. Eine solche Abgasanlage ermöglicht
einen besonders einfachen Wechsel zwischen Keramikwabenkörpern
und Metallwabenkörpern. Auch hierbei ist bevorzugt, über
diese radiale Druckbelastung und/oder gegebenenfalls axiale Anschlagflächen
keine zusätzlichen fügetechnischen Verbindungen
(an der Mantelfläche) des Wabenkörpers auszubilden.
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Eine
andere Weiterbildung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasleitung
(zumindest teilweise) aus einer ersten Halbschale und einer zweiten Halbschale
besteht. Eine solche Abgasanlage ermöglicht einen besonders
einfachen Wechsel der Wabenkörper. Dieses für
die Lagerung von keramischen Wabenkörpern bekannte 2-schalige
Konzept wird folglich nunmehr für die Integration des formstabilen,
mantellosen Wabenkörpers adaptiert.
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Darüber
hinaus wird auch ein Kraftfahrzeug mit einer Verbrennungskraftmaschine
vorgeschlagen, das zumindest eine erfindungsgemäße
Abgasanlage aufweist.
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Damit
findet die Erfindung insbesondere Anwendung in mobilen Abgassystemen,
wie bei Personenkraftwagen, Lastkraftwagen und dergleichen.
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Die
Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand
der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen,
dass die Figuren besonders bevorzugte Ausführungsvarianten
der Erfindung zeigen, diese jedoch nicht darauf beschränkt ist.
Es zeigen schematisch:
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1:
eine schematische Darstellung eines Stapels,
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2:
eine schematische Darstellung des Verfahrens zum Löten
eines Wabenkörpers vor dem Einfügen eines Wabenkörpers
in ein Fixiermittel,
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3:
eine schematische Darstellung des Verfahrens zum Löten
eines Wabenkörpers vor dem Entfernen des Fixiermittels
von dem Wabenkörper, und
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4:
ein Kraftfahrzeug aufweisend eine Abgasanlage mit einem Wabenkörper.
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1 zeigt
schematisch einen Stapel 5 aus geschichteten, zumindest
teilweise strukturierten Lagen 6 und im Wesentlichen glatten
Lagen 14, die durch Abgas durchströmbare Kanäle 15 bilden.
Innerhalb dieses Stapels 5 sind zwischen den zumindest
teilweise strukturierten Lagen 6 und im Wesentlichen glatten
Lagen 14 Bereiche 26 mit Lotmaterial 17 ausgebildet.
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Aus 2 geht
nun ein Wabenkörper 1 hervor, der aus einer Mehrzahl
hier nur schematisch dargestellter und verwundener Stapel 5 gebildet
ist. Hierbei erstrecken sich die durch die Stapel 5 gebildeten
mit Abgas durchströmbaren Kanäle 15 zwischen
den beiden Stirnflächen 7 des Wabenkörpers 1 im
Wesentlichen parallel zu einer Achse 21 des Wabenkörpers 1.
Bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel des Verfahrens
zum Löten eines Wabenkörpers 1 wird der
Wabenkörper 1 in eine erste Richtung 18 in
Richtung eines Fixiermittels 3 geführt. Das Fixiermittel 3 ist
in diesem Ausführungsbeispiel als Fixierrohr 22 ausgebildet.
Das Fixierrohr 22 weist in seinem Inneren einen Kontaktbereich 4 auf,
der mit der Mantelfläche 23 des Wabenkörpers 1 in
Kontakt bringbar ist. Auf diesen Kontaktbereich 4 ist in
diesem Ausführungsbeispiel des Verfahrens zum Löten eines
Wabenkörpers ein Lotmaterial 17 in Form von Lotpulver
aufgebracht.
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Die 3 zeigt
nun schematisch den Wabenkörper 1, nachdem dieser
vollständig, hier durch einen Stempel 10, in das
Fixiermittel 3 eingefügt wurde. Hierbei liegt
die Mantelfläche 23 des Wabenkörpers 1 im
Wesentlichen vollständig an dem Kontaktbereich 4 des
Fixiermittels 3 an. Hierdurch ist gewährleistet,
dass der Durchmesser 24 des Wabenkörpers 1 durch
den Innendurchmesser 25 des Fixiermittels 3 vorgegeben
ist. Selbstverständlich wird grundsätzlich ein
Fixiermittel 3 gewählt, dessen Innendurchmesser 25 maximal
dem Durchmesser 24 des Wabenkörpers 1 entspricht.
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Die
Temperatur des so fixierten Wabenkörpers 1 wird
nachfolgend auf eine Löttemperatur erhöht, so
dass durch das hier nicht dargestellte Lotmaterial 17 hier
nicht dargestellte Bereiche 26 ausgebildet werden (vgl. 1),
die zu einer nachhaltigen Verbindung zwischen den einzelnen Lagen
der Stapel 5 führen. Nach Abschluss des Lötvorgangs
wird der Wabenkörper 1 mit Hilfe eines Stempels 10 in Richtung
einer zweiten Richtung 19 aus dem Fixiermittel 3 entfernt,
indem mit dem Stempel 10 auf die Stirnfläche 7 des
Wabenkörpers 1 eine Kraft in Richtung der zweiten
Richtung 19 ausgeübt wird.
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Die 4 zeigt
ein Kraftfahrzeug 2 mit einer Verbrennungskraftmaschine 16,
die fluidleitend über eine Abgasleitung 9 einer
Abgasanlage 8 mit einem Wabenkörper 1 verbunden
ist, wobei der Wabenkörper 1 allein, das heißt
ohne ein Trägerrohr bzw. ein Mantelrohr, formstabil ist.
Um eine leichte Montage des Wabenkörpers 1 zu
ermöglichen, kann die Abgasleitung 9 im Bereich
einer Schnittlinie 20 durch eine erste Halbschale 12 und
eine zweite Halbschale 13 geöffnet werden. Hierdurch
kann der Wabenkörper 1 mit Hilfe einer ihn umschließenden äußeren
flexiblen Fixiermatte 11 im Inneren der Abgasleitung 9 angeordnet
werden und beim Schließen der ersten Halbschale 12 und
der zweiten Halbschale 13 formschlüssig, kraftschlüssig
oder reibschlüssig mit der Abgasleitung 9 verbunden
werden.
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Das
vorgeschlagene Verfahren zum Löten eines Wabenkörpers
zeichnet sich dadurch aus, dass mit diesem (allein bzw. selbstständig)
formstabile Wabenkörper ohne Trägerrohr bzw. Mantelrohr
herstellbar sind, die besonders leicht und kostengünstig sind.
Darüber hinaus ist die Anwendung eines solchen Wabenkörpers
ganz besonders vorteilhaft in einer Abgasanlage für ein
Kraftfahrzeug.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wabenkörper
- 2
- Kraftfahrzeug
- 3
- Fixiermittel
- 4
- Kontaktbereich
- 5
- Stapel
- 6
- zumindest
teilweise strukturierte Lage
- 7
- Stirnfläche
- 8
- Abgasanlage
- 9
- Abgasleitung
- 10
- Stempel
- 11
- Fixiermatte
- 12
- erste
Halbschale
- 13
- zweite
Halbschale
- 14
- glatte
Lage
- 15
- Kanäle
- 16
- Verbrennungskraftmaschine
- 17
- Lotmaterial
- 18
- erste
Richtung
- 19
- zweite
Richtung
- 20
- Schnittlinie
- 21
- Achse
- 22
- Fixierrohr
- 23
- Mantelfläche
- 24
- Durchmesser
- 25
- Innendurchmesser
- 26
- Bereich
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 0436533
B1 [0002]
- - WO 03/106027 A1 [0003]
- - WO 90/03220 A1 [0009]
- - EP 0245737 A1 [0009]
- - EP 0831969 A1 [0009]