JP3845873B2 - セラミック触媒コンバータ - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、自動車用の触媒コンバータに用いられ、セラミック製ハニカム担体の保持構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
従来より、自動車用の触媒コンバータに用いられるセラミック製ハニカム担体の材料には、低熱膨張係数のコージェライト系セラミック（２ＭｇＯ・２Ａｌ２Ｏ３・５ＳｉＯ２）が使用されており、十数年の市場実績がある。 一般に、このセラミック製ハニカム担体は、じん性が低く脆いので、特開昭５８−８４０３８号公報に示される如く緩衝材であるワイヤネットでくるんで、金属製の外筒に収められて用いられる。
【０００３】
このセラミック製ハニカム担体の表面には、自動車エンジンの排ガス中に含まれるＣＯ、ＨＣおよびＮＯｘ等の有害成分を無害な気体あるいは水に変換するためのＰｔやＲｈ、Ｐｄ等の貴金属が担持される。
しかしながら、これらの貴金属は３００℃から３５０℃の触媒活性温度に加熱されないとその能力が発揮されない。このため、エンジン始動直後の触媒温度が３００℃から３５０℃以上に加熱されるまでの間は、未浄化の排ガスが排出されてしまう。この対策として、触媒コンバータをエンジンの近くに配置することが要求されているが、上述の緩衝材であるワイヤネットの耐熱性は８００℃から８５０℃しかなく、このワイヤネットの耐酸化性を越える温度では使用できないのが現状である。したがって、排気ガス温度の最高値が９５０℃を越えるようなエンジンのエキゾーストマニホールド直下に触媒を配置することは、事実上不可能であった。
【０００４】
そこで、特開平２−４３９５５号公報に示されるようなセラミック製ハニカム担体を耐熱性のセラミックマットでくるんで保持する方法が提案されている。
しかしながら、この例では保持材料自身の耐熱性を向上させる点において優れるものの、実際には９５０℃を越える使用環境下では、セラミック製ハニカム担体の線膨張係数（１．２×１０^-6／℃）と金属製外筒の線膨張係数（ＳＵＳ４３０で１．１×１０^-5／℃）の相違により、双方の間にクリアランスが発生し、保持力が低下するため、十分な耐久性を得ることはできない。例えば、φ８０のセラミック製ハニカム担体を例にとると、上述の熱膨張差によるクリアランスは実に１ｍｍを越えてしまう。
【０００５】
一方、実公平４−２６６４９号公報の如く、セラミックマットをセラミック短繊維とバーミュキライト、マイカ等の熱膨張物質とを混入した熱膨張材とすることで、この問題を解決しようとするものもあり一部で実用化されている。
しかしながら、現状の熱膨張物質では９００℃を越える排ガスに晒されると、バーミュキライト、マイカ等の熱膨張物質等の劣化が激しく進行するため、十分な信頼性を保証できるまでには至っていない。
【０００６】
すなわち、９５０℃を越える高温下で長時間使用できるセラミック製ハニカム担体を用いた触媒コンバータは未だ提供されるに至っていない。
そこで、本発明においては、長時間高温の下においても、十分にセラミックハニカム担体を保持することができるセラミック触媒コンバータを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
そこで本発明では、エンジンの排気経路中に配置され、前記エンジンの排気ガスの有害成分を浄化させる触媒が担持されたセラミック製ハニカム担体と、前記セラミック製ハニカム担体を収納する外筒と、前記セラミック製ハニカム担体と前記外筒との間に介在され、線膨張係数の異なる金属が組み合わせられるとともに、前記排気ガスにより、温度が上昇することによって、前記セラミック製ハニカム担体と前記外筒とのクリアランスを吸収する保持部材とからなるセラミック触媒コンバータを提供するものである。
【０００８】
特に、好ましくは、帯状あるいは円環状の線膨張係数の異なる２種以上の金属、例えばＳＵＳ３１０（１．７×１０^-5／℃）とＳＵＳ４３０（１．１×１０^-5／℃）からなる金属板を接合した保持部材を、セラミック製ハニカム担体の円周方向および／または半径方向および／または軸方向に、外筒もしくは帯状あるいは円環状の変形規制部材と、セラミック製ハニカム担体との間に配設する構成としてもよい。
【０００９】
また本発明は、上記構成のみに留まらず、例えばＳＵＳ４３０（１．１×１０^-5／℃）等の外筒に対して線膨張係数の大きい金属、例えばＳＵＳ３１０（１．７×１０^-5／℃）等からなる帯状あるいは円環状あるいはリング状あるいは円筒状の金属板からなる保持部材を、セラミック製ハニカム担体の円周方向および／または半径方向および／または軸方向に、外筒もしくは帯状あるいは円環状の変形規制部材と、セラミック製ハニカム担体との間に配設する構成のものについても提案する。
【００１０】
【作用】
上記構成によれば、排気ガス熱によるセラミック製ハニカム担体の温度上昇に伴って、外筒あるいは変形規制部材と、セラミック製ハニカム担体の間に配設された保持部材は、セラミック製ハニカム担体と外筒のクリアランスを吸収するよに変形する。その変形量は、セラミック製ハニカム担体と外筒のクリアランスの増減に比例（温度変化に比例）した値を得ることができる。したがって、セラミック製ハニカム担体を必要以上に圧迫することはなく破損を招くことはない。
【００１１】
すなわち、あらゆる温度条件下で適切な保持力が得られ、例えば、排ガス経路中に配設された本願発明の触媒コンバータは、９５０℃以上の高温下においても、ハニカム担体と外筒の間にはクリアランスが発生しない。
また、保持部材が２種の線膨張係数の異なる金属同士を接合するバイメタル構造とした場合、その変形量は極めて大きく取れるため、例えば、９５０℃以上の高温下でも十分な保持力が容易に得られる。
【００１２】
さらに、常温状態に戻った場合、保持部材の変形を規制するための変形規制部材が設けられているため、戻りすぎることもなく、排気ガス温度のアップダウンサイクルにも問題無く保持力が得られるよう作用する。
【００１３】
【発明の効果】
本願発明を採用することにより、あらゆる温度環境下で確実にセラミック製ハニカム担体を保持することが可能となる。
また、保持部材として一般的な無機弾性体にみられる熱劣化による保持力の減退が少ないため、例えば、９５０℃以上の高温条件下で使用でき、保持性能を長期間維持することが可能となる。その結果、メタル触媒コンバータよりも安価で、従来のセラミック触媒コンバータと比べ、耐振性と耐熱負荷性の点で大幅に優れた触媒コンバータを提供することが可能となる。
【００１４】
また、従来のセラミック触媒コンバータに比較して、エンジンの上流側に取り付けることが可能となるため、エンジンの上流側に取り付けた場合には、始動直後の昇温性が高まり、現状のエンジン始動直後の未浄化の有毒な排気ガスを浄化することが可能となる。
【００１５】
【実施例】
（第１実施例）
本発明の第１の実施例を図１から図１２を用いて説明する。 図１は、本発明の第１実施例を示すセラミック触媒コンバータ１の模式図である。
図２、図３は、内燃機関であるエンジン２５の排気経路のエキゾーストマニホールド２６ａ、２６ｂに本発明の第１の実施例のセラミック触媒コンバータ１を装着した場合の一部断面を示した図である。図４は、第１の実施例のセラミック触媒コンバータ１の排気管途中への保持構造を示した図である。 第１の実施例のセラミック触媒コンバータ１は、セラミック製ハニカム担体２と、セラミック製ハニカム担体２の外周側面を覆う耐熱ステンレス製の波板３と、セラミック製ハニカム担体２および波板３を収納する外筒４と、外筒４に固定され、高温時に発生する外筒４と波板３およびセラミック製ハニカム担体２とのクリアランスを吸収する保持部材５と、低温時に保持部材５の変形を規制する変形規制部材６、およびセラミック製ハニカム担体２、波板３、外筒４、保持部材５、変形規制部材６を排気経路中に固定するフランジ７により構成されている。 セラミック製ハニカム担体２は、直径７１ｍｍ、長さ６０ｍｍ、壁厚０．０８〜０．１３ｍｍの薄壁セラミックモノリスであり、材料には低熱膨張係数のコージェライト系セラミック（２ＭｇＯ・２Ａｌ２Ｏ３・５ＳｉＯ２）が使用されている。
【００１６】
波板３は、Ｃｒが１８〜２４ｗｔ％、Ａｌが４．５〜５．５ｗｔ％、希土類元素（ＲＥＭ）が０．１〜０．２ｗｔ％、残部ＦｅのＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ組成よりなり、幅７０ｍｍ、板厚が０．０３〜０．２０ｍｍの帯状の耐熱ステンレス箔である。
外筒４はフェライト系耐熱ステンレス鋼ＳＵＳ４３０から成り、内径７７ｍｍ、幅７０ｍｍ、板厚が１．５ｍｍの円筒で、図５に示す形状にプレス加工によって略四角形状の４つの貫通穴を有し、必要寸法の外径形状となるように抜いた後、曲げ加工にて円筒状に製作され、両端の辺４ａ部を接合して製作されている。
【００１７】
保持部材５は、図６（ｂ）に示す如く、膨張率の小さい内側保持部材１１と、線膨張率の大きい外側保持部材１２を接合して成り、セラミック製ハニカム担体２の外周側面側に保持部材１１が位置するよう組付られている。この内側保持部材１１は、半径３７ｍｍ、中心角１２０゜、 幅２０ｍｍ、板厚１．５ｍｍのフェライト系耐熱ステンレス鋼ＳＵＳ４３０であり、 外側保持部材１２は、半径３８．５ｍｍ、中心角１２０゜、 幅２０ｍｍ、板厚１．５ｍｍのオーステナイト系耐熱ステンレス鋼ＳＵＳ３１０である。また、保持部材５の内側保持部材１１と外側保持部材１２の接合は、図６（ａ）に示す如く、組付時の周方向となる方向にレーザビームを途切れることなく連続的に走らせることにより、溶接接合されている。さらに、図６の例ではこの接合方法を３列平行に接合してある。この接合域は、図６の例に限らず、図７（ａ）に示す如く、保持部材の周方向に並ぶ円群、あるいは（ｂ）に示す如く、保持部材の接触面全域、あるいは（ｃ）に示す如く、保持部材の各辺の端部近傍を１周、あるいは（ｄ）に示す如く、保持部材の接触部の外周全域であってもよい。
【００１８】
上記図６、図７（ａ）、図７（ｂ）、図７（ｃ）例の如く、保持部材間の接合は、周方向と直角方向に取った任意の断面において、必ず溶接されている部分が存在するように行うことが望ましい。これは後述の如く、保持部材が周方向にバイメタルとして変形させることでセラミック製ハニカム担体を保持する構成としているためであり、変形方向である保持部材の周方向を確実に接合すれば、より大きな変形量を得ることができるからである。
【００１９】
変形規制部材６は、フェライト系耐熱ステンレス鋼ＳＵＳ４３０製で、内径８０ｍｍ、幅５４ｍｍ、板厚が１．５ｍｍであり、フランジ７は、フェライト系耐熱ステンレス鋼ＳＵＳ４３０から成り、内径８３ｍｍ、外径９８ｍｍ、板厚が３ｍｍのもので構成されている。
次に、これまで説明したセラミック触媒コンバータ１の各部品の組付方法を図８を用いて説明する。
【００２０】
先ず、図８に示す如く、セラミック製ハニカム担体２に波板３を２周巻回する。この波板３の波高さは、セラミック製ハニカム担体の外径と外筒内径の差の１／２より０．１〜０．４ｍｍ程度高くなるよう加工されたものであり、波ピッチは略２．５ｍｍのものを使用している。
次に、図９に示す如く、外筒４に加工された略四角形状の貫通穴部の４つの側面の内、短い辺の長さを有する２つの側面のいずれか一方の面に、保持部材５の一端５ａを溶接接合する。この作業を４回繰り返すことで、４つの保持部材を外筒に接合する。この際、保持部材は、セラミック製ハニカム担体の中心からみて放射状、かつ外筒の同一円周上に位置するよう複数個設けられ、ハニカム軸方向に位置をずらして複数箇所に取付られていることが望ましい。これは、保持部材が変形し、均等にセラミック製ハニカム担体に保持力を与えることができるようにするためである。
【００２１】
この外筒４に、波板３を２周巻回したセラミック製ハニカム担体２を圧入する。圧入深さは、セラミック製ハニカム担体２の位置が、波板３および外筒４の略中央付近となる位置までとし、その後、外筒と波板を後端部にてレーザビーム接合する。この際、波板３は２枚を重ねた状態で構成されているため、レーザビーム接合時における波板３と外筒４との熱容量差を吸収でき、箔材の溶接割れを防止できる。
【００２２】
また、レーザビーム溶接は、外筒の外周側面を連続的にレーザビームを走らせると、溶接時の外筒の熱変形により、外筒と波板との間に溶接途中でクリアランスが発生してしまい、溶接不良が発生する恐れがある。しかし、不連続にレーザービームを走らせ、非接合部を設けることにより、レーザビームの熱を逃し、また、外筒が熱変形した場合においても、その変形量を非接合部で吸収することができる。第１実施例では、外筒を回転させ、外筒が９０゜回転する間に、レーザビームの照射を１５゜回転する間止め、非接合部を設けている。すなわち、外筒１周に４箇所の接合部と非接合部が存在する。第１実施例ではさらに、この方法にて軸方向に２ｍｍ位置をずらして周方向に全２周溶接している。図９に示す外筒の円周方向に伸びる２本の線８は、レーザビーム痕を示している。第１実施例では、接合方法として、レーザビーム接合の場合を示したが、ろう付接合で行ってもよいことは言うまでもない。この状態で、外筒の前端部にフランジ７を溶接し、さらに外筒の外径と略同一の内径に加工された外筒と同一材質（フェライト系耐熱ステンレス鋼ＳＵＳ４３０製）の変形規制部材６を組付け、外筒４に溶接する。この場合、フランジ表面の少なくとも一方側が全周接合されていれば、フランジと外筒間との排ガス洩れを防ぐことができることは言うまでもない。
【００２３】
外筒４およびフランジ７および変形規制部材６は、ともにフェライト系耐熱ステンレス鋼ＳＵＳ４３０製であり、溶接性がよくなるように同材質に選択されている。
また、第１実施例では変形規制部材６を外筒４の周りに設けた場合の例を示したが、排気管の中に取付けられる際、排気管内径の寸法を上述の如く外筒の外径と略同一径とすることができる場合においては、排気管で代用しても差し支えない。
【００２４】
また、外筒４およびフランジ７および変形規制部材６の溶接は、高い溶接性を確保するために、溶接面に酸化皮膜が形成される後述のγ−Ａｌ2 Ｏ3 コートおよび、触媒担持工程前に実施されることが望ましい。
上記実施例では、外筒４および保持部材５は個別に製作し接合した例を示したが、図１０に示す如く、外筒４と内側保持部材１１を一体にプレスで抜いた後、辺４ｂ部を接合し、外側保持部材１２を接合してもよい。
【００２５】
以上ですべての組付工程が終了たことになり、最後に触媒貴金属を担持する。以下に触媒担持方法について詳しく述べる。まず、セラミック製ハニカム担体２をγ−Ａｌ2 Ｏ3 を含有したスラリー中に含浸させ、仮焼成する。そして、触媒金属であるＰｔまたはＲｈ等を溶解した水溶液中に含浸させ、再度焼成する。以上の工程によって、自動車の排気経路に取付けることができる触媒コンバータとしてセラミック製ハニカム担体を用いることができるようになる。 図２から図４に示されるように、このセラミック触媒コンバータ１は、エキゾーストマニホールド取付フランジ１４ａおよびスタートキャタリスト取付フランジ１４ｂの間に、ガスケット１５を介して、フランジ１２が図４には図示しないボルト１６によって、連結固定されることとなる。
【００２６】
本実施例では、エンジンは、Ｖ８、４０００ｃｃであり、このエンジンより導出される８本のエキゾーストマニホールドは、４本ずつ集合し、２本のエキゾーストマニホールドとなる。そして、各エキゾーストマニホールドの途中に、セラミック触媒コンバータ１およびその下流に１３００ｃｃの容量を有するセラミックからなるモノリス触媒であるスタートキャタリスト７が配置されている。 このモノリス触媒担体であるスタートキャタリスト７は、スタートキャタリスト用の外筒２０内にワイヤネットあるいは、セラミック繊維マット１８を介して保持、固定されている。
【００２７】
また、スタートキャタリスト用の外筒１７の下流側フランジ１９と排気管フランジ２０が、互いにボルト２１によって、連結され一体となっており、排気管２２は、その下流側で、１本に集合されたあと図示しない１個１０００ｃｃのメインキャタリストに接続されている。
次に、第１の実施例の作用について説明する。
【００２８】
上記の構成にてエンジンを始動すると、セラミック触媒コンバータ１は、約１０〜１５ｓｅｃ（エンジンはアイドリング状態）後には４００℃〜５００℃に昇温し、触媒物質を活性化することにより、エンジンより排出される排気ガスの浄化を行う。
第１実施例のセラミック触媒コンバータ１は、図２、図３に示す如く、エンジンのエキゾーストマニホールド直下に配設されているため、従来の床下に配置される触媒コンバータと比較し、排気ガスの持つ熱エネルギーを多く受け取ることができる。さらに、第１実施例では、ハニカム担体に壁厚０．０８〜０．１３ｍｍの薄壁セラミックモノリスを採用しているため、従来の壁厚０．１５〜０．２５ｍｍのものに比較し、熱容量が小さい。以上の理由によって、排気ガス温度の低いエンジン始動直後においても、短時間で昇温し、触媒物質が活性化状態となる。
【００２９】
また、セラミック製ハニカム担体は、メタルハニカム担体と比較し、材料の熱伝導率が極めて小さい。例えば、第１実施例に用いたコージェライト系セラミック（２ＭｇＯ・２Ａｌ２Ｏ３・５ＳｉＯ２）では、約１／１０以下である。このため、昇温開始後、排気ガスの熱エネルギーの熱伝達によって、まず最初にセラミック製ハニカム担体の最前面部の触媒物質が局所的に昇温する。その後、排ガス熱と触媒反応熱を熱源として、順次排ガス流れの下流側方向に活性化領域が広がっていく。この時、触媒反応熱の熱エネルギーは極めて大きいため、結果的に短時間で全域が活性化し、メタルハニカム担体と比較して熱容量が大きいにも関わらず、同等の浄化性能が得られる。
【００３０】
一方、排気ガス熱によるセラミック製ハニカム担体の温度上昇に伴って、外筒４と、セラミック製ハニカム担体２との間に配設された保持部材５は、セラミック製ハニカム担体と外筒のクリアランスを吸収するよう、図１１の如く、セラミック製ハニカム担体側に変形する。その変形量は、セラミック製ハニカム担体と外筒のクリアランスの増減に比例（温度変化に比例）した値を得ることができる。したがって、セラミック製ハニカム担体を必要以上に圧迫せず、破損を招くことはなく一定の保持力を与えるよう作用する。
【００３１】
また、保持部材は２種の線膨張係数の異なる金属同士を接合するバイメタル構造を有するため、その変形量は極めて大きく、９５０℃以上の高温下でも十分な保持力が容易に得られる構成となっている。
すなわち、あらゆる温度条件下で適切な保持力が得られ、排ガス経路中に配設された本願発明の触媒コンバータは、９５０℃以上の高温下においても、セラミック製ハニカム担体と外筒の間にはクリアランスが発生しない。 さらに、常温状態に戻った場合、保持部材の変形を規制するための変形規制部材６が設けられているため、戻りすぎることもなく、排気ガス温度のアップダウンサイクルにも問題無く保持力が得られるよう作用する。 また、図５で示した本発明のセラミック触媒コンバータは、排気ガス温を受けて早期昇温できるよう排気マニホルドに極めて近接して取り付けた例を示したが、このような場所は自動車走行中の高温の排気ガスやエンジン振動にさらされる非常に厳しい環境下でもある。
【００３２】
しかしながら、このセラミック製ハニカム担体２は、波板３を介して保持部材５の変形による力を受けているため、つまり広い接触面で保持力を受けているため、局所的に応力集中を招くことがなくセラミック製ハニカム担体を確実に、しかも均一に保持することができる。（以下セラミック製ハニカム担体と保持部材の間に設ける応力分散用の部材をクッション材と呼ぶ）以上の波板の効果によって、熱負荷やエンジン振動に対して極めて高い保持構造を有し、耐久性に問題を生じることはない。
【００３３】
このメタルセラミック製ハニカム担体は、図１、図１１の如く、波板材３で構成されるクッション部材により、保持部材５とセラミック製ハニカム担体２間の応力を緩和しているが、図１２の如く、耐熱製セラミックファイバーマット９で構成されるクッション部材により、保持部材５とセラミック製ハニカム担体２間の応力を緩和してもよい。熱負荷やエンジン振動に対する耐久性は、この場合も同様に極めて高く、問題を生じることはない。
【００３４】
（第２実施例）
本発明の第２実施例を図１３から図１４を用いて説明する。
図１３は、本発明の第２実施例であるセラミック触媒コンバータ２００を構成する部品の組付状態を示す展開図であり、図１４は、第２実施例のセラミック触媒コンバータ２００の側面図である。
【００３５】
セラミック触媒コンバータ２００は、排気ガス流れ方向に１インチ当り４００個の導通路を有する直径７１ｍｍ、長さ６０ｍｍのコージェライト製のセラミックハニカム担体２０１、オーステナイト系耐熱ステンレス鋼ＳＵＳ３１０板で成形された２種類の保持部材２０２、２０３およびフェライト系耐熱ステンレス鋼ＳＵＳ４３０から成る内径７７ｍｍ、幅７０ｍｍ、板厚１．５ｍｍの円筒形状を有する外筒２０４から構成されている。
【００３６】
セラミック製ハニカム担体２０１は、外筒２０４の内部に配設されており、セラミック製ハニカム担体２０１と外筒２０４間の空隙部分には、圧入しろ０．２〜０．８ｍｍの寸法になるよう加工された２つの保持部材２０２、２０３が圧入されている。これら保持部材２０２、２０３は、外筒２０４の軸方向長さと略同一寸法に加工された幅７０ｍｍ、厚さ１．２ｍｍの上記耐熱ステンレス板で成形されている。また保持部材２０２、２０３は、第１の保持部材２０２が外筒２０４の側面に沿うように配設されると共に、第２の保持部材２０３はセラミック製ハニカム担体２０１の外周側面に沿うようになっている。さらに、第１と第２の保持部材は、お互いの一部が重なり合うよう配設され、第１と第２の保持部材の重なり部分の先端形状はくさび状をなしている。
【００３７】
次に第２の実施例の作動と効果を説明する。
室温状態で、セラミック製ハニカム担体２０１は、第１の保持部材２０２および第２の保持部材２０３を介して、外筒２０４によって保持されている。排ガス温度が上昇して高温状態となると、外筒２０４はセラミック製ハニカム担体２０１に対して約１０倍の線膨張係数を有するため、外径２０４の方がセラミック製ハニカム担体２０１より膨張し、両者の間には隙間が形成される。しかしながら、保持部材２０２、２０３がこの膨張差を吸収するよう作動するため、本発明のセラミック触媒コンバータ２００には隙間は生じない。これは、第１の保持部材２０２が外筒２０４の内周面に、また第２の保持部材２０３がセラミック製ハニカム担体２０１の外周面に接触していることに加えて、お互いの一端が重なり合うよう挿入されており、２つの保持部材２０２と２０３のくさび効果によって、外筒２０４とセラミック製ハニカム担体２０１を支点として作動するためである。２つの保持部材２０２と２０３は、お互いにその間を押し広げるように変形し、高温下においてもセラミック製ハニカム担体２０１を確実に保持できるのである。保持部材２０２は、外筒２０４を押しつけると共に、保持部材２０３は、セラミック製ハニカム担体２０１に押しつけられることで、セラミック製ハニカム担体２０１が外筒２０４から抜け出ることはない。 温度に応じて、外筒２０４とセラミック製ハニカム担体２０１の隙間は、比例的に変化するため、常に自動的に調整することが可能となっている。この場合、保持部材２０２および２０３の少なくとも一方の一部分が外筒に接続固定されていれば、熱膨張、熱収縮に伴う位置ずれが発生しないため、より高い耐久性を得ることが可能となる。 また、保持部材２０２、２０３は、外筒に対して線膨張係数が大きくなる材料が選択されているため、より大きな保持力が発生することは言うまでもない。 本実施例では、保持部材２０２、２０３は、直接セラミック製ハニカム担体の外周側面に設ける構成としたが、これに限られるものではなく、例えば、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ組成よりなる耐熱ステンレス製の板厚０．０３〜０．２０ｍｍの帯状の平板、同材料から加工された波ピッチ２．５ｍｍ、波高さ２ｍｍ程度の波板、あるいは、耐熱製のセラミックマット等をセラミック製ハニカム担体の外周側面に巻き付けた後、設けられる構成としてもよい。これは、保持部材２０２、２０３がをセラミック製ハニカム担体の外周側面を保持する際に発生する応力を分散させるために設けられるものであり、この構成を採用すれば、セラミック製ハニカム担体の割れに対する耐久性をさらに向上することができる。
【００３８】
（第３実施例）
本発明の第３実施例を図１５から図１８を用いて説明する。
図１５は、本発明の第３実施例であるセラミック触媒コンバータ３１０の正面の断面図であり、図１６は同側面図である。
図１７は、構成部品である保持部材３４０の模式図である。
【００３９】
図１８は、本発明の第３実施例であるセラミック触媒コンバータ３１０を高温の排気ガス中に配設した場合の側面図を示した図である。
本発明の第３実施例であるセラミック触媒コンバータ３１０は、排気ガス流れ方向に１インチ当り４００個の導通路を有する直径７１ｍｍ、長さ６０ｍｍのコージェライト製のハニカム担体３２０が、円筒形状の耐熱ステンレス製からなる外筒３３０にクッション部材３５０を介して圧入固定されている。このクッション部材３５０は、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ組成よりなる耐熱ステンレス製であって、板厚０．０３〜０．２０ｍｍ、波ピッチ２．５ｍｍ、波高さ２ｍｍを有している。
【００４０】
また、セラミック製ハニカム担体３２０の外径は、外筒３３０の内径より小さく、クッション部材３５０は、セラミック製ハニカム担体が損傷しない程度の０．２から０．８ｍｍの圧入代で固定されている。保持部材３４０は、熱膨張係数の大きなステンレス鋼３４１（ＳＵＳ３０４またはＳＵＳ３１０等）と小さなステンレス鋼３４２（ＳＵＳ４３０またはＳＵＳ４１０またはＦｅ−２０Ｃｒ−５Ａｌ）の２種類の金属板により構成されている。
【００４１】
保持部材３４０は、熱膨張係数の小さな金属３４２と熱膨張係数の大きな金属３４１の、両者を重ね合わせた後、溶接、ろう付け等の機械的接合により、長手方向の一端を接合した後、熱膨張係数が小さな金属板３４２がセラミック製ハニカム担体の外周側面に沿って一周以上覆うことができる螺旋形状に加工されている。さらには、保持部材３４０は、セラミック製ハニカム担体の周りに組み付けられた後、少なくとも最初に接合した長手方向の一端と反対側に位置する螺旋形状の一端、および両者の中央部を接合して構成されている（図１７）。 この際、まず、熱膨張係数の異なる２種類の金属３４１、３４２を螺旋形状に加工した後、熱膨張係数が小さな金属板３４２が内側に位置するように上記位置を接合しても良い。
【００４２】
セラミック製ハニカム担体３２０は、外周面をクッション部材である波板３５０で２周覆った後、上述の螺旋形状に加工された少なくとも一つ以上の保持部材３４０内に挿入され、さらに外筒３３０に内挿した後、保持部材３４０と外筒３３０の一部が溶接接合され、セラミック触媒コンバータ３１０が形成されている。この際、保持部材３４０と外筒３３０を接合した後、セラミック製ハニカム担体３２０およびクッション部材３５０を圧入しても良い。
【００４３】
次に第２実施例の作用を説明する。
本実施例のセラミック触媒コンバータは、排気経路に取り付けられて触媒として機能する。
車両の高負荷運転時では、セラミック触媒コンバータは高温に曝される。この時、セラミック触媒コンバータは熱膨張係数の大きなステンレス製の外筒と、熱膨張係数が外筒に対して約１／１０のコージェライト製ハニカム担体から構成されるため、外筒とセラミック製ハニカム担体間の径方向にクリアランスを生じてしまう。しかしながら、本実施例のセラミック触媒コンバータ３１０では、セラミック製ハニカム担体を外筒に保持するための保持部材が、そのクリアランスを吸収するよう作動する。
【００４４】
この保持部材は、線膨張係数の異なる２種類の金属で構成されているため、高温時には、熱膨張係数の差により、保持部材が螺旋の内径を小さくするように変形し、上記クリアランスを吸収することができる。すなわち、保持部材は、温度上昇に伴い、セラミック製ハニカム担体の外周側面を締め付けるように変形する。一方、保持部材の一部が外筒に対して機械的に接合されているため、外筒は保持部材を介してセラミック製ハニカム担体を保持することができる。この状態を示した図が図１８である。
【００４５】
以上の作動により、本実施例のセラミック触媒コンバータ３１０は、高温下でもセラミック製ハニカム担体に保持力を与えることができる。 また、セラミック触媒コンバータを高温下に長時間放置された場合、すなわち保持部材が縮径した状態で長時間放置された場合には、保持部材がクリープし、温度が低下し常温状態に戻った時、保持部材が元の径以上に広がってしまう恐れがある。しかしながら、保持部材の変形は、外筒により制限される構成であるため、外筒の内径以上には大きくならない。再び温度が上昇した際にも必ずハニカム担体を保持できるだけの保持力が得られるよう変形する。この場合、外筒とハニカム担体の隙間は、セラミック触媒コンバータの使用最高温度における保持部材の変形量以下に構成しておく必要があることは言うまでもない。 また、本発明のセラミック触媒コンバータの保持部材は、螺旋の巻数を多くすれば、保持面積も大きくすることができる。これは、保持部材の螺旋の巻き数を調整することで、高温時に生じるハニカム担体の保持力を適性値に設定でき、確実にハニカム担体を保持できることを意味している。
【００４６】
さらに、本発明のセラミック触媒コンバータの保持部材は、上述のように外径を任意の径に調整することが可能であるため、ハニカム担体、または外筒への取付が容易な構成である。これは、ハニカム担体に保持部材を挿入する際、螺旋の巻き方向と反対方向にねじり、螺旋の巻き方向にねじり力を与えることで、容易に径が縮径できるためである。さらには、上記特性を有することから、保持部材の螺旋形状を加工する際の寸法公差も、大きく取ることが可能である。 なお、クッション部材３５０は、保持部材３４０が縮径し、セラミック製ハニカム担体の外周側面を保持した場合に発生する応力を分散させるために設けられたものであり、例えばセラミックファイバーマット等の耐熱性の繊維であってもよい。
【００４７】
（第４実施例）
本発明の第４実施例を図１９から図２６を用いて説明する。
図１９は、本発明の第４実施例のセラミック触媒コンバータ４００の模式図である。
セラミック製ハニカム担体４０１は、円筒状の外筒４０２内に介挿され、外筒４０２の両開口端面には、複数個の保持部材４０３が周方向に等間隔になるようセラミック製ハニカム担体中心からみて放射状に外筒４０２に接合固定されている。
【００４８】
セラミック製ハニカム担体４０１は、直径６６ｍｍ、全長６０ｍｍ、セルサイズ４００ｃｐｉ、セル壁厚０．１〜０．２ｍｍでコージェライト製である。
外筒４０２は、厚さ１．５〜２ｍｍの線膨張係数の小さい耐熱ステンレス鋼板もしくは鋼管から成る。当実施例ではＳＵＳ４３０製としたが、これに限定されるものではない。図２０は図１９のセラミック触媒コンバータ４００の軸方向の断面図である。セラミック製ハニカム担体４０１の端面と保持部材４０３は互いに少なくとも一部で接触し、両者の間に隙間が生じないように構成されている。
【００４９】
又、ハニカム担体４０１と外筒４０２の間には、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ組成の耐熱ステンレス箔から成る波板のクッション部材４０８が圧入されている。圧入代は０．１〜０．４ｍｍである。図２０では上流側、下流側いずれの開口端にも保持部材４０３が配設された例を示したが、上流側、下流側の少なくとも一方には配設されている必要がある。 保持部材４０３は、２種類の線膨張係数の異なる金属板同士を重ね合わせて接合したもので、セラミック製ハニカム担体の端面側には、線膨張係数の小さな材料４０４が、他方には線膨張係数の大きな金属４０５が位置するように構成されている。当実施例では線膨張係数の小さな材料４０４としてＳＵＳ４３０を、線膨張係数の大きな金属４０５としてＳＵＳ３１０を使用し、いずれの板厚も１．０〜１．５ｍｍとした場合について示したが、これによって使用する材料や板厚が何ら限定されるものではない。これらの条件は、後述する作用効果が得られるのに十分な組合せであればよい。
【００５０】
保持部材４０３は、図１９に示した形状以外に図２１に示した形状も可能である。図２１において、保持部材４０３は、切込み４０６が設けられた線膨張係数の小さな材料４０４の一部に線膨張係数の大きな金属４０５が重ね合わされて接合されている。図１９に示した構成と同様に、セラミック製ハニカム担体の端面側には線膨張係数の小さな材料４０４が位置するように外筒４０２に取り付けられている。
【００５１】
図２０には保持部材４０３の更に外側に保持部材４０３の変形を防止する変形規制部材４０７を設けた例を示す。変形規制部材４０７は、保持部材４０３の変形による応力に対する十分な強度を有する略円環状部材で、変形外筒４０２もしくは保持部材４０３に固定されている。いずれの場合も、常温では保持部材４０３に接触し、かつ保持部材４０３のハニカム側への動作を妨げないように取付けられるが、特に保持部材４０３に固定される場合は、可動部以外の範囲に接合される。変形規制部材４０７は図２１の構成にも適用可能であることは言うまでもない。
【００５２】
当実施例の作用・効果について説明する。
排ガス経路中に配設されたセラミック触媒コンバータは、排ガスの熱と浄化の際の触媒反応熱によって９５０℃以上の高温に達する。この際、セラミック製ハニカム担体４０１は線膨張係数が小さい（１．２×１０^-6）コージェライトで構成されているのに対して、外筒４０２はＳＵＳ４３０などの耐熱ステンレス鋼で構成され、線膨張係数は極めて大きいため（１．１×１０^-5）、二者間には大きなクリアランスが生じる。
【００５３】
本実施例において、保持部材４０３は図２３ａに示したように線膨張係数の異なる２種類の材料を重ね合わせて接合したものであり、高温に曝されると図２３ｂのように線膨張係数の小さい材料４０４が配置された側へ湾曲した形状に変形する。温度が下がれば元の形状に復帰し、可逆的に繰返して使用可能である。図２４に、図１９に示した実施例、図２５に、図２１に示した実施例における保持部材４０３の変形の様子をそれぞれ示す。いずれの場合も高温時は保持部材４０３がセラミック製ハニカム担体４０１側へ向かって湾曲し、担体４０１と外筒４０２との熱膨張量の差によって生じるクリアランスをなくし、担体４０１を確実に保持するように作用する。温度が下がると変形は回復する。
【００５４】
次に図２０に示した変形規制部材４０７の作用について説明する。高温下で保持部材４０３が変形し、担体４０１を軸方向に保持した状態が長時間続いた場合、保持部材４０３にクリープが発生し、その結果降温した際に変形前の位置よりも担体から離れる方向に余分に戻り、再度温度が上昇した際に担体４０１との間に隙間が発生し、保持力が失われる場合がある。ここで、変形規制部材４０７が設置されていれば、保持部材４０３が必要以上に戻ることが防止できるため、保持部材４０３と担体４０１の間に空隙が発生することがなく、いかなる温度下でも常に確実な保持力を確保することが可能になる。
【００５５】
本実施例では、複数の保持部材を放射状に配置して用いた例を示したが、これに限定されることなく、図２６の如く、線膨張係数の異なる２枚の円環状の平板または波板を接合した１個の保持部材を用いてもよい。
本実施例は異種材料間の熱膨張差を利用した保持部材を用いることで、あらゆる温度環境下で確実にセラミックハニカム担体を保持できる。保持部材として一般的な無機弾性体にみられる熱劣化による保持力の減退が少ないため、９５０℃以上の高温条件下で使用でき、保持性能を長期間維持することが可能である。その結果、メタルハニカムコンバータよりも安価で、従来のセラミックコンバータに比べて耐振性と耐熱負荷性の点で大幅に優れたセラミック触媒コンバータを提供することができる。
【００５６】
（第５実施例）
本発明の第５実施例を図２７と図２８を用いて説明する。
図２７は、本発明の第５実施例のセラミック触媒コンバータ５００を構成する各部品の組み付け状態を示す展開図であり、図２８は、軸方向の断面図である。セラミック製触媒コンバータ５０１は、円筒状の外筒５０２内に介挿され、セラミック製触媒コンバータ５０１の少なくとも一方の端面には、セラミック製触媒コンバータ５０１とほぼ等しい外径を持つ保持部材５０３が組み込まれている。保持部材５０３の外側には略円環状の変形規制部材５０４が外筒５０２の両端面に接合固定され、セラミック製触媒コンバータ５０１と保持部材５０３が外筒５０２から突出するのを防止している。
【００５７】
セラミック製触媒コンバータ５０１は直径６６ｍｍ、全長６０〜８０ｍｍ、セルサイズ４００ｃｐｉ、セル壁厚０．１〜０．２ｍｍでコージェライト製である。ハニカムの製造方法や担持工程は通常のセラミックモノリス担体と同様である。外筒５０２は、厚さ１．５〜２ｍｍの線膨張係数の小さい耐熱ステンレス鋼板、もしくは鋼管から成る。当実施例ではＳＵＳ４３０製としたが、これに限定されるものではない。
【００５８】
セラミック製触媒コンバータ５０１の端面と保持部材５０３は互いに少なくとも一部では接触し、両者の間に隙間が生じないように構成されている。同様に保持部材５０３と変形規制部材５０４も互いに少なくとも一部では接触し、両者の間に隙間が生じないように構成されている。保持部材５０３が０．３〜１ｍｍ軸方向に弾性変形する程度に圧縮された組付け状態とする。図１、図２では上流側、下流側いずれの開口端にも保持部材５０３が配設された例を示したが、上流側、下流側のいずれか一方にしか配設されていない構成も可能である。 本実施例では、保持部材５０３は外筒５０２に比べて線膨張係数の大きな材質であって、厚さ０．０５〜１ｍｍの板材から成り、周方向に沿って波型のプロファイルを持つ略円環状を成している。このプロファイルの波高さは３〜５ｍｍである。ここではＳＵＳ３１０を想定しているが、セラミック触媒コンバータの使用環境に耐え、外筒５０２を構成する材料に比べて線膨張係数の大きな材料であれば、同様に使用できる。形状もこれに限定されるものではないが、熱容量が少なく、触媒の昇温を妨げない寸法、構造であることが望ましい。 変形規制部材５０４は、高温下でのセラミック製触媒コンバータ５０１、外筒５０２、保持部材５０３の膨張変形による応力に対して十分な強度を有する略円環状部材で、外筒５０２に固定されている。材質は、ここでは外筒５０２と同一であるが、接合性、耐熱性などに問題がなければ、他の材質も利用可能である。変形規制部材５０４と保持部材５０３は、位置ずれを防止できる程度に互いに接合されていることが望ましい。
【００５９】
本実施例の効果について説明する。
排ガス経路中に配設されたセラミック触媒コンバータは、排ガスの熱と浄化の際の触媒反応熱によって９５０℃以上の高温に達する。この際、セラミック製触媒コンバータ５０１は線膨張係数が小さい（１．２×１０^-6）コージェライトで構成されているのに対して、外筒５０２はＳＵＳ４３０などの耐熱ステンレス鋼で構成され、線膨張係数が極めて大きいため（１．１×１０^-5）、二者間には大きなクリアランスが生じる。
【００６０】
本実施例において、保持部材５０３は、前述のように外筒５０２を構成する材料に比べて線膨張係数の大きな材料から成るため、高温に曝されると外筒５０２よりも大きく軸方向に熱膨張変形する。したがって、変形規制部材５０４があるために外側には変位できず、この熱膨張変形分は担体５０１と外筒５０２とのクリアランスを埋めるように作用し、軸方向のクリアランスの発生を防止する。
温度が下がれば、各構成要素は収縮し、元の形状・寸法に復帰するが、その過程においても軸方向の空隙は発生せず、担体５０１は常に確実に保持される。
【００６１】
本実施例は異種材料間の熱膨張差を利用した保持部材を用いることで、あらゆる温度環境下で確実にセラミック製セラミック製触媒コンバータを保持できる。保持部材として一般的な無機弾性体にみられる熱劣化による保持力の減退が少ないため、９５０℃を越える高温条件下で使用でき、保持性能を長期間維持することが可能である。その結果、メタルハニカムコンバータよりも安価で、従来のセラミックコンバータに比べて耐振性と耐熱負荷性の点で大幅に優れたセラミック触媒コンバータを提供することができる。
【００６２】
（第６実施例）
本発明の第６実施例を図２９から図３１を用いて説明する。
図２９は、本発明の第６実施例のセラミック触媒コンバータ６００の正面図であり、図３０（ａ），（ｂ），（ｃ）は、第６実施例のセラミック触媒コンバータ６００に採用される保持部材６０３の模式図と、同保持部材６０３の常温状態と高温状態を示す模式図である。
【００６３】
図３１は、セラミック触媒コンバータ６００を高温の排気ガス中に配設した場合の図２９と同一の断面を示した図である。
セラミック製ハニカム担体６０１とその外周部を覆うクッション部材６０７は、円筒状の外筒６０２内に圧入介挿され、セラミック製ハニカム担体６０１の少なくとも一方の端面には、外筒６０２の内径とほぼ等しいか、やや小さい外径を有する保持部材６０３が組み込まれている。この保持部材６０３の外側面には、外筒６０２の内周面に接合固定された略円環状の変形規制部材６０４が配設され、セラミック製ハニカム担体６０１が外筒６０２から突出するのを防止している。セラミック製ハニカム担体６０１は、直径６６ｍｍ、全長６０〜８０ｍｍ、セルサイズ４００ｃｐｉ、セル壁厚０．１〜０．２ｍｍの寸法を有するコージェライト製担体である。外筒６０２は、厚さ１．５〜２ｍｍの線膨張係数の小さい耐熱ステンレス鋼板、もしくは鋼管から成り、本実施例ではＳＵＳ４３０製としたが、これに限定されるものではない。
【００６４】
セラミック製ハニカム担体６０１の端面と保持部材６０３は、両者の間に隙間が生じないように構成されている。同様に、保持部材６０３と変形規制部材６０４も、両者の間に隙間が生じないように構成されている。すなわち、保持部材６０３は、セラミック製ハニカム担体の軸方向に０．３〜１．０ｍｍ、弾性変形する程度に圧縮された状態で組付けて、接合されている。図２９では上流側と下流側のいずれの開口端にも保持部材６０３が配設された例を示したが、上流側、下流側のいずれか一方にしか配設されていない構成も可能である。
【００６５】
また、セラミック製ハニカム担体６００の外周側面に巻き付けられたクッション部材６０７は、例えばセラミックファイバーマットや、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ組成よりなる耐熱ステンレス箔であって、板厚０．０３〜０．２０ｍｍ、波ピッチ２．５ｍｍ、波高さ２ｍｍ程度の波板で構成され、０．１〜０．４ｍｍ程度、外筒６０２に圧入されている。
【００６６】
次に、保持部材６０３の構成について詳しく説明する。
保持部材６０３は、図３０（ａ），（ｂ），（ｃ）に示す如く円環状を成している。保持部材６０３は、厚さ０．５〜１．５ｍｍの線膨張係数の大きな材質（当実施例ではＳＵＳ３１０）から成る円環状の基板６０６に、厚さ０．５〜２ｍｍで基板６０６に比べ線膨張係数の小さい材質（当実施例ではＳＵＳ４３０）から成る円環状の基板６０５を、基板６０６の外周近傍のみに位置するように重ね合わせ、両者の外周部で接合した構造を持つ。すなわち、線膨張係数の小さい基板６０５の内径は、線膨張係数の大きな基板６０６の内径より大きく、両者は最外周近傍のみで接合されている。さらに後述の保持部材の変形に対してその作動を容易にするため、線膨張係数の大きな基板６０６の板厚を薄くしておくことが望ましい。これら、保持部材６０３の材料は、上記以外にもセラミック触媒コンバータの使用環境に耐え、互いに接合性に優れ、線膨張係数の差が大きな材料同志の組合せであれば、同様に使用できる。
【００６７】
また、変形規制部材６０４は、外筒６０２に固定されている。材質は、高温下でのセラミック製ハニカム担体６０１、外筒６０２、保持部材６０３の膨張変形による応力に対して十分な強度を有する略円環状部材を有する部材であればよく、ここでは外筒６０２と同一としたが、接合性、耐熱性などに問題がなければ他の材質も利用可能である。
【００６８】
本実施例の効果について説明する。
排ガス経路中に配設されたセラミック触媒コンバータは、排ガスの熱と浄化の際の触媒反応熱によって９５０℃以上の高温に達する。この際、セラミック製触媒コンバータ６０１が、線膨張係数が小さい（１．２×１０^-6）コージェライトで構成されているのに対し、ＳＵＳ４３０などの耐熱ステンレス鋼から成る外筒６０２および変形規制部材６０４の線膨張係数は極めて大きいため（１．１×１０^-5）、二者間に大きなクリアランスが発生する。
【００６９】
しかしながら、保持部材６０３は上述の如く、線膨張係数に差のある２種類の材料を接合し構成されており、その熱変形によりクリアランスを吸収するよう作動し、セラミック製ハニカム担体は保持される。
以下に保持部材６０３がクリアランスを吸収する作動を詳しく説明する。 高温に曝された状態となると、線膨張係数の大きな基板６０６の径方向の変形量は、線膨張係数の小さい基板６０５に対して相対的に大きい。ここで、基板６０６は、変形規制部６０５と機械的に接合されているため、基板６０６の径方向の変形量は拘束された状態となるため、熱膨張による応力は、セラミック製ハニカム担体の軸方向への変形によって開放される。すなわち、基板６０６は、セラミック製ハニカム担体の両軸方向の内、機械的剛性の低い側である基板６０５が接合されていないセラミック製ハニカム担体側に大きく変形する。その結果、図３１に示す如く、保持部材６０３がセラミック製ハニカム担体６０１と変形規制部材６０４とのクリアランスを埋めるように作動する。
【００７０】
温度が下がれば、各構成要素は収縮し、元の形状・寸法に復帰するが、基板６０６の変形温度は３００℃程度であるため、その間は軸方向にほぼ一定の変形量を維持でき、軸方向のクリアランスは発生しない。さらに温度が低下し、３００℃から常温状態までの温度範囲では、セラミック製ハニカム担体は、外筒６０２とクッション部材６０７とで外周側面を保持される。すなわち、セラミック製ハニカム担体は、あらゆる温度で確実に保持される。
【００７１】
本実施例は異種材料間の熱膨張差を利用した保持部材を用いることで、あらゆる温度環境下で確実にセラミック製セラミック製ハニカム担体を保持できる。保持部材として一般的な無機弾性体にみられる熱劣化による保持力の減退が少なく、金属製のバネのように高温下でクリープし、繰返し使用に耐えられないといった問題もない。従って、従来より高温条件下での使用が可能で、保持性能を長期間維持することができる。その結果、メタルハニカムコンバータよりも安価で、従来のセラミックコンバータに比べ、耐振性と耐熱負荷性の点で非常に優れたセラミック触媒コンバータを提供することができる。
【００７２】
（第７実施例）
本発明の第７実施例を図３２から図３４を用いて説明する。
図３２は、第７実施例の側面図であり、この図を用いて構成を説明する。
第７実施例は、中空円筒形状を有し中心軸を含む任意の面で２分割されたセラミック製ハニカム担体７０１ａ、ｂと、中空円筒部分に介挿され円柱形状を有するセラミック製ハニカム担体７０２と、これらの間に介挿された保持部材７０３ａ、ｂ、およびセラミック製ハニカム担体７０１ａ、ｂ、７０２と保持部材７０３ａ、ｂ、並びにセラミック製ハニカム担体７０１ａ、ｂと外筒７００との間に挿入された耐熱性セラミックマットからなる緩衝材７０４、７０５ａ、ｂ、７０６より構成される。セラミック製ハニカム担体７０１ａ、ｂは、外径は７１ｍｍ、セラミック製ハニカム担体７０２の外径は、５０ｍｍ、長さはそれぞれ７０ｍｍで、共にセルサイズ４００ｃｐｉ、セル壁厚０．１〜０．２ｍｍの寸法を有するコージェライト製担体である。
【００７３】
保持部材７０３ａは、内側金属板７０３ａ１と外側金属板７０３ａ２とで構成され，両者は接合部７０７ａにおいて接合されている。同様に保持部材７０３ｂは、内側金属板７０３ｂ１と外側金属板この外側金属板７０３ｂ２とで構成され、両者は接合部７０７ｂにおいて接合されている。保持部材７０３ａ、ｂの板厚はともに１．５ｍｍである。
【００７４】
上記セラミック製ハニカム担体７０１ａ、ｂ、７０２、保持部材７０３ａ、ｂ、および外筒７００は、緩衝材７０４、７０５ａ、ｂ、７０６を介して、第３２図に示す様に隙間無く強固に固定されている。保持部材７０３ａと７０３ｂは、接合面７０８でレーザビーム接合またはろう付け等で接合されていてもよく、端部７０９で外筒７００とレーザビーム接合またはろう付け等で接合されていてもよい。
【００７５】
保持部材７０３ａ、ｂの外側金属板７０３ａ２、ｂ２は内側金属板７０３ａ１、ｂ１および外筒７００に比べて線膨張係数αの大きい材料を使用する。本実施例では，内側金属板７０３ａ１、ｂ１および外筒７００の材料をＳＵＳ４３０、外側金属板７０３ａ２、ｂ２の材料をＳＵＳ３１０とする。各々の材料の常温（２５℃）〜約９５０℃に於ける線膨張係数αの平均値は、およそ次に示す値である。
【００７６】
ＳＵＳ３１０ ： α＝１．７×１０^-5 （１／℃）
ＳＵＳ４３０ ： α＝１．１×１０^-5 （１／℃）
本実施例の作用を図３３と図３４を用いて説明する。
図３３は内燃機関の低速、低負荷運転時に於ける排ガス温度が比較的低い約３００℃以下の時の状態での側面図を示したものであり、図３５は高速、高負荷運転時に於ける排ガス温度が高い約８００℃以上の時の状態での図３３と同一の側面図を示したものである。
【００７７】
図３３および図３４は、３３図に於ける上半分（添字ａ）のみを示した図であり、以下に説明する作用は下半分（添字ｂ）も全く同様である。
低温時において、図３３に示す如く、保持部材８０３ａ１および７０３ａ２は、ほぼ完全に密着している。すなわち、セラミック製ハニカム担体７０１ａおよび７０２は保持部材７０３ａ、緩衝材７０４、７０５ａ、７０６を介して径方向に任意の方向からの面圧により外筒７００に強固に固定されている。 高温時においては、図３４に示す如く、外筒７００が熱膨張により径が大きくなる方向に変形する。
【００７８】
このとき、保持部材７０３ａは、上記のように内側金属板７０３ａ１および外筒７００の線膨張係数と比較して、外側金属板７０３ａ２の線膨張係数が大きく、しかも内側金属板７０３ａ１の内周側は、セラミック製ハニカム担体７０２の外周によって拘束されているため、外側金属板７０３ａ２が径方向外側に大きく変形する。この外側金属板７０３ａ２の径方向への変形量Δｒは、図３４の如く両端の接合部７０７ａの中央付近、すなわち図３４のｚ軸上の方向で最大となる。そして、この最大変形量は、外筒７００の径方向への変形量Δｒ０以上になるよう保持部材７０３ａの曲率半径を決めることにより、高温時においても外筒７００とセラミック製ハニカム担体７０１ａ、セラミック製ハニカム担体７０１ａと保持部材７０３ａの外側金属板７０３ａ２、および保持部材７０３ａの内側金属板７０３ａ１とセラミック製ハニカム担体７０２とが適切な面圧により固定される。
【００７９】
上記構成と作動を有する本実施例を採用することにより、排ガス温度および触媒内部温度の変化に追従して、セラミック製ハニカム担体と外筒の間に、常に適正な径方向の面圧を発生することが可能となり、確実に保持、固定できる。すなわち、従来技術の問題点である高温時の外筒の熱膨張に起因するセラミック製ハニカム担体の振動、衝撃等によるセラミック製ハニカム担体の損傷を回避し、高い排ガス浄化能力を確保することが可能となる。
【００８０】
（第８実施例）
本発明の第８実施例を図３５から図３８を用いて説明する。
図３５は、本発明の第８実施例であるセラミック触媒コンバータ８００の正面の断面図であり、図３６は同セラミック触媒コンバータ８００の側面図である。
図３７は、構成部品である保持部材８４０の拡大模式図である。
【００８１】
図３８は、構成部品である保持部材８４０の他の実施例を示す保持部材８６０で構成された場合の図３６と同一の側面図である。
図３５で本発明の第８実施例を示す触媒コンバータ８００の構成を説明する。排気ガス流れ方向に１インチ当り４００個の導通路を有する直径７１ｍｍ、長さ６０ｍｍのコージェライト製のセラミック製ハニカム担体８２０は、円柱形状を有し、板厚１．５ｍｍの耐熱ステンレス製の外筒８３０に、セラミック製ハニカム担体のクッション部材８５０を介して圧入固定されている。このクッション部材８５０は、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ組成よりなる耐熱ステンレス製であって、板厚０．０３〜０．２０ｍｍ、波ピッチ２．５ｍｍ、波高さ３ｍｍを有している。
セラミック製ハニカム担体８２０の外径は、外筒８３０の内径より小さく、またクッション部材８５０は、セラミック製ハニカム担体が損傷しない程度の０．３から０．８ｍｍの圧入代を有している。
【００８２】
さらに、外筒８３０にはセラミック製ハニカム担体８２０の排ガス流れ方向への飛び出しを規制するための変形規制部材８３１がセラミック製ハニカム担体８２０の少なくとも一端面側に構成されている。この変形規制部材８３１は、円盤形状、もしくはセラミック製ハニカム担体８２０の中心からみて放射状に複数個配設された帯状の耐熱製ステンレス板で構成されている。さらに、セラミック製ハニカム担体８２０内部には、排気ガス流れ方向に伸び、セラミック製ハニカム担体８２０の内部を貫く少なくとも一本の保持部材８４０が変形規制部材８３１に溶接、圧入、ろう付け等の機械的接合により固定されている。セラミック製ハニカム担体８２０の上述した保持部材８４０の挿入部位には、保持部材８４０と略同一形状を有する空間が形成されている。
【００８３】
図３５では、セラミック製ハニカム担体８２０の内部を貫く保持部材は、排気ガス流れ方向に伸びる構成としたが、これに限られるものでなく、例えば、排気ガス流れ方向の中心近傍、上流側近傍、あるいは下流側近傍に外筒８３０の内周面からセラミック製ハニカム担体の中心方向に向かって伸びる構成としてもよい。
【００８４】
また、図３５では、保持部材８４０が変形規制部材８３１に溶接、圧入、ろう付け等の機械的接合により固定されている構成としたが、これに限られるものでなく、外筒８３０、あるいは、外筒８３０と変形規制部材８３１の両者に溶接、ろう付け等の機械的接合により固定されている構成としても差し支えない。
保持部材８４０は、図３７の如く、線膨張係数の大きなステンレス鋼８４１（ＳＵＳ３０４またはＳＵＳ３１０等）と小さなステンレス鋼８４２（ＳＵＳ４３０またはＳＵＳ４１０またはＦｅ−２０Ｃｒ−５Ａｌ）の２種類の金属板により構成されている。また、本実施例における保持部材８４０は、板厚１．５ｍｍ、長さ４０ｍｍとしたが、これによって使用する材料や板厚が何ら限定されるものではない。これらの条件は、後述する作用効果が得られるのに十分な組合せであればよい。
【００８５】
また、保持部材の形状は、図３７に示す帯状の平板同士を接合した後、図３８に示す如く、セラミックハニカム担体の中心方向の一端に曲げ加工を施したものでもよく、セラミックハニカム担体内に設けた空間部との密着性を増す形状８６０のような形状であれば、より好ましいことは言うまでもない。 同様に変形規制部材８３１は、高温下でのセラミック製触媒コンバータ８２０、外筒８３０、保持部材８４０の膨張変形による応力に対して十分な強度を有していればよく、材質や板厚は、接合性、耐熱性などに問題がなければ、他の材質も利用可能である。
【００８６】
以下に本実施例の作用を説明する。
車両の高負荷運転時では触媒コンバータは高温に曝される。高温下で使用する場合、触媒コンバータは熱膨張係数の大きな外筒と小さなコージェライト製のハニカム担体から構成されるため、外筒とセラミック製ハニカム担体の間にクリアランスが発生する。しかしながら、本実施例の触媒コンバータでは、保持部材は熱膨張係数の異なる２種類の金属で構成されているため、高温時、熱膨張率差によって曲線形状に変形する。この時、変形した保持部材は、セラミック製ハニカム担体の内部に設けた空間部分の側面に密着し、両者の間に保持部材の変形量に応じた面圧が作用し、セラミック製ハニカム担体が保持される。また、配設する保持部材の個数を変化させることで任意の面圧を得ることができる。
【００８７】
温度が下がれば、各構成要素は収縮し、元の形状・寸法に復帰するが、その過程においても径方向の空隙は発生せず、担体８００は常に確実に保持される。
本実施例は異種材料間の熱膨張差を利用した保持部材を用いることで、あらゆる温度環境下で確実にセラミック製セラミック製触媒コンバータを保持できる。保持部材として一般的な無機弾性体にみられる熱劣化による保持力の減退が少ないため、９５０℃を越える高温条件下で使用でき、保持性能を長期間維持することが可能である。その結果、メタルハニカムコンバータよりも安価で、従来のセラミックコンバータに比べて耐振性と耐熱負荷性の点で大幅に優れたセラミック触媒コンバータを提供することができる。
【００８８】
（第９実施例）
本発明の第９実施例を図３９から図４３を用いて説明する。
図３９は、本発明の触媒コンバータ９００の斜視図である。このセラミック触媒コンバータ９００は、セラミック製ハニカム担体９０１の外周側面に沿うように保持部材９０３を配設した後、金属製の外筒９０２に圧入することにより構成されている。前述の外筒９０２は、厚さ１．５〜２ｍｍの線膨張係数の小さい耐熱ステンレス鋼板もしくは、鋼管から成り、内径７５ｍｍ、長さ６５ｍｍである。
【００８９】
当実施例では、ＳＵＳ４３０製としたが、これに限定されるものではない。
また、セラミック製ハニカム担体９０１は、直径７１ｍｍ、全長６０ｍｍ、セルサイズ４００ｃｐｉ、セル壁厚０．１〜０．２ｍｍでコージェライト製である。 図４０は、図３９のセラミック触媒コンバータの断面図である。前述の保持部材９０３は、高線膨張係数を有する耐熱ステンレス製の平板からなり、当実施例では、ＳＵＳ３１０製としたが、これに限定されるものでない。
【００９０】
この平板の一端は、徐々に厚みが減少するようなテーパ形状９０４が加工されており、常温時にセラミック製ハニカム担体９０１を一周覆った後、両端が互いに重なり合うよう配設する。保持部材９０３は、図３９に示した形状以外に図４２に示す如く、平板の両端に、徐々に厚みが減少するようなテーパ形状が加工されている構成であってもよく、図４０と同様に常温時にテーパ先端部同志が重なり合う配設をされている。
【００９１】
本実施例におけるテーパの傾斜角は３０〜４５゜である。しかしながら、これに限られるものではなく、後述の如く、高温時にセラミック製ハニカム担体を保持可能な変位量が得られる板厚およびテーパの傾斜角であれば差し支えない。
本実施例の作用について説明する。
排ガス経路中に配設されたセラミック触媒コンバータは、排ガス熱と排ガス浄化に伴う触媒反応熱によって９５０℃以上の高温に達する。この際、セラミック製ハニカム担体９０１は線膨張係数が小さい（１．２×１０^-6）コージェライトで構成されているのに対して、外筒９０２は、ＳＵＳ４３０などの耐熱ステンレス鋼から成り、セラミック製ハニカム担体に対して線膨張係数が大きいため（１．１×１０^-5）、二者間には大きな熱膨張量の差が生じクリアランスが発生する。
【００９２】
本実施例において、図４０に示される保持部材９０３は、外筒９０２に使用されるステンレス鋼より線膨張率の大きな材料、例えばＳＵＳ３１０で成形されたものであり、高温状態では、図４１に示す如く、外筒９０２の周方向伸び量より大きい伸び量を生じる。この余剰伸び量は、保持部材９０３が重なり合うテーパ形状に沿ってセラミック製ハニカム担体９０１側に変形する。
【００９３】
したがって、保持部材９０３の一端は、外側に押しつけ力を加える方向に変位し、他端はセラミック製ハニカム担体９０１に押しつけ力を加える方向に変位する。以上の保持部材９０３の熱膨張により、外筒９０２とセラミック製ハニカム担体９０１との熱膨張量の差によって生じるクリアランスを吸収し、セラミック製ハニカム担体９０１を確実に保持するように作用する。
【００９４】
保持部材９０３は、温度が低下すれば元の形状に戻るため、可逆的に使用可能である。図４２に示される実施例の保持部材９０３は、両端に徐々に厚みが減少するようにテーパ加工されているため、図４３の如く滑らかな変形が可能となる。
本実施例において、保持部材９０３はセラミック製ハニカム担体９０１の外周に１周巻回したが、これに限定されるものでなく、保持部材９０３をセラミック製ハニカム担体９０１の外周に２周以上巻回してもよい。この場合、保持部材の巻き終わりの一端は、外筒９０３と溶接あるいは、ろう付け等の機械的な接合手段で接合し、熱膨張によってセラミック製ハニカム担体の周方向に変形する際の固定端を設けておくことが好ましい。
【００９５】
本実施例は異種材料間の熱膨張差を利用した保持部材を用いることで、あらゆる温度環境下で確実にセラミック製ハニカム担体を保持できる。保持部材として一般的な無機弾性体にみられる熱劣化による保持力の減退が少ないため、９５０℃以上の高温条件下で使用でき、保持性能を長期間維持することが可能である。その結果、メタルハニカムコンバータよりも安価で、従来のセラミックコンバータに比べて耐振性と耐熱負荷性の点で大幅に優れた触媒コンバータを提供することができる。
【００９６】
（第１０実施例）
図４４に本実施例の触媒コンバータ１０００の斜視図を示す。
セラミック製ハニカム担体１００１は、波板形状の保持部材１００３を介して円筒状の外筒１００２内に介挿されている。セラミック製ハニカム担体１００１は直径６６ｍｍ、全長６０ｍｍ、セルサイズ４００ｃｐｉ、セル壁厚０．１〜０．２ｍｍでコージェライト製である。外筒１００２は厚さ１．５〜２ｍｍの線膨張係数の小さい耐熱ステンレス鋼板もしくは鋼管から成る。当実施例ではＳＵＳ４３０製としたが、これに限定されるものではない。保持部材１００３は、線膨張係数の大きな耐熱ステンレス箔、鋼板または鋼管の少なくとも一種より成る。当実施例ではＳＵＳ３１０を使用し板厚は０．１〜１．５ｍｍ、波高さ３ｍｍ、波ピッチ２．５ｍｍとした場合について示したが、これによって使用する材料や板厚、波形状が何ら限定されるものではない。これらの条件は、後述する作用効果が得られるのに十分な組合せであればよい。
【００９７】
保持部材１００３の一部は、外筒１００２と隙間が生じないように構成されている。レーザビーム接合またはろう付などによる機械的接合が効果的である。本実施例では、レーザビーム接合を用いた。図４４における線１００４はレーザビーム痕である。またセラミック製ハニカム担体１００１は、保持部材１００３内に圧入されている。当実施例では圧入代は０．８ｍｍとしたがこれに限定されるものではない。
【００９８】
当実施例の作用について説明する。
排ガス経路中に配設されたセラミック製触媒コンバータ１０００は、排ガスの熱と浄化の際の触媒反応熱によって９５０℃以上の高温に達する。この際、セラミック製ハニカム担体１００１は線膨張係数が小さい（１．２×１０^-6）コージェライトで構成されているのに対して、外筒１００２はＳＵＳ４３０などの耐熱ステンレス鋼から成り、セラミック製ハニカム担体に対して線膨張係数が大きいため（１．１×１０^-5）、二者間には大きな熱膨張量の差が生じる。
【００９９】
当実施例において、保持部材１００３はＳＵＳ３１０などの線膨張係数の大きい（１．７×１０^-5）耐熱ステンレス鋼から成り、高温時は保持部材１００３がセラミック製ハニカム担体１００１側へ向かって膨張し、この膨張量と圧入代の和は、担体１００１と外筒１００２との熱膨張量の差によって生じる保持量の低下を補い、担体１００１を確実に保持するように作用する。温度が下がると変形は回復するため、担体１００１が必要以上に圧迫されることによって破損する恐れはない。
【０１００】
当実施例は外筒に対して熱膨張量の大きい保持部材を用いることで、あらゆる温度環境下で確実にセラミック製ハニカム担体を保持できる。保持部材として一般的な無機弾性体にみられる熱劣化による保持力の減退が少ないため、９５０℃を以上の高温条件下で使用でき、保持性能を長期間維持することが可能である。その結果、メタル触媒コンバータよりも安価で、従来のセラミック触媒コンバータに比べて耐振性と耐熱負荷性の点で大幅に優れた触媒コンバータを提供することができる。
【０１０１】
（第１１実施例）
本発明の第１１実施例を図４５から図４８を用いて説明する。
図４５は、本発明の第１１実施例のセラミック触媒コンバータ１１００の正面断面図であり、図４６は、図４５の高温の排気ガス中に配設した状態を示した図である。
【０１０２】
図４７は、図４５、図４６に採用される保持部材１１４０の模式図である。
図４８は、本発明の第１１実施例のセラミック触媒コンバータ１１００の他の実施例を示す正面の断面図である。
本発明の第１１実施例であるセラミック触媒コンバータ１１００は、排気ガス流れ方向に１インチ当り４００個の導通路を有する直径７１ｍｍ、長さ６０ｍｍのコージェライト製ハニカム担体１１２０が、板厚１．５ｍｍの円筒形状の耐熱ステンレス製外筒１１３０にセラミック製ハニカム担体のクッション部材１１５０を介して圧入固定されている。このクッション部材１１５０は、例えばセラミックファイバーマットや、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ組成の耐熱ステンレス箔からなる板厚０．０３〜０．２０ｍｍ、波ピッチ２．５ｍｍ、波高さ２ｍｍ程度の波板で構成されている。
セラミック製ハニカム担体１１２０の外径は、外筒１１３０の内径より小さく、保護部材１１５０は、セラミック製ハニカム担体が損傷しない程度の０．３から０．８ｍｍの圧入代を有している。さらに、外筒１１３０には、セラミック製ハニカム担体１１２０の排ガス流れ方向への飛び出しを規制する変形規制部材１１３１が外筒１１３０の両端部に接合してある。この変形規制部材１１３１は円環形状、または複数の短冊形状により構成されている。二つの変形規制部材１１３１の少なくとも一方側の変形規制部材とセラミック製ハニカム担体１１２０との間には、保持部材１１４０が一枚以上取付られている。
【０１０３】
図４５と図４６には一枚、図４８には二枚を取付けた場合の例を示した。この保持部材１１４０の外径は、外筒１１３０の内径と略同一になるよう構成されている。保持部材１１４０は、外筒１１２０より熱膨張係数の大きなステンレス鋼（ＳＵＳ３０４またはＳＵＳ３１０等）で形成されている。
本実施例では、外筒１１３０は、ＳＵＳ４３０製のステンレス鋼を想定したが、これに限られるものではなく、例えばＳＵＳ４１０、Ｆｅ−２０Ｃｒ−５Ａｌ等が考えられる。また、保持部材１１４０は、図４７に示す如く、螺旋形状、あるいはＣ型の円環形状に加工されている。
【０１０４】
さらに、この保持部材１１４０の円周方向の少なくとも一端側は、厚みが徐々に小さくなる傾斜部分１１４５が加工されており、傾斜部１１４５は、他端と重なり合うようよう構成されている。本実施例において、傾斜部１１４５の角度は３０〜４５゜とした。しかしながら、これに限られるものではなく、後述の如く、高温時にセラミック製ハニカム担体を保持可能な変位量が得られる板厚およびテーパの傾斜角であれば差し支えない。
【０１０５】
本実施例の作用について説明する。
本実施例のセラミック触媒コンバータは、排気経路に取り付けられて触媒として機能する。車両の高負荷運転時では、セラミック触媒コンバータは高温に曝される。高温下で使用する場合、セラミック触媒コンバータは、熱膨張係数の大きな外筒と熱膨張係数の小さなコージェライト製のハニカム担体から構成されているため、外筒とセラミック製ハニカム担体の間には大きなクリアランスが発生し、セラミック製ハニカム担体が損傷すると言った問題があった。 本実施例のセラミック触媒コンバータは、高温環境下において、保持部材の排ガス流れ方向の変形により得られる押付け力でセラミック製ハニカム担体を固定する構造を特徴としている。
【０１０６】
この保持部材の外径は、外筒内径と略同一になるよう構成されていることに加えて、外筒より熱膨張係数が大きいため、セラミック製ハニカム担体の径方向への変形量が外筒に制限される。したがって、保持部材は、螺旋またはＣリング形状の保持部材の円周方向の端部の重なり量が大きくなるように変形する。この保持部材の変形によって、セラミック製ハニカム担体は、図４６の如く排ガス流れ方向に固定される。
【０１０７】
均一な押し付け力を得るためには、図４８の如く２枚の保持部材を用い、お互いの重なり部分を１８０度ずらし使用することが考えられる。また、セラミック製ハニカム担体の両端にお互いの重なり部分を１８０度ずらして配設した場合においても同様の効果を得ることができる。さらに、セラミック製ハニカム担体の保持力は保持部材の傾斜部の角度と板厚を変化させれば、任意の強さに調整できる。
【０１０８】
（第１２実施例）
本発明の第１２実施例を図４９から図５３を用いて説明する。
図４９に第１２実施例のセラミック触媒コンバータ１２００の斜視図を示す。セラミック製ハニカム担体１２０１は、側面を波板１２０２で覆われ、外筒１２０３に圧入されており、保持部材１２０４が少なくとも外筒１２０３の上流側あるいは下流側の開口端に１個以上、好ましくは放射状に複数個設置される。
【０１０９】
図５０にセラミック触媒コンバータ１２００の軸方向の断面図を示す。保持部材１２０４は、線膨張係数の異なる２種類の帯状の金属板同士が重ね合わされて接合されており、セラミック製ハニカム担体１２０１側に線膨張係数の小さい材料１２０５、他方に線膨張係数の大きい材料１２０６から成り、セラミック製ハニカム担体１２０１の端面の縁と波板１２０２を介して隙間無く接するように配置される。
【０１１０】
本実施例では、図４９、５０に示す如く、外筒１２０３の開口端の一部を帯状になるよう切り込み１２０９を入れ、セラミック製ハニカム担体１２０１側を線膨張係数の小さい材料１２０５とし、これに線膨張係数の大きい材料１２０６を接合して保持部材１２０４とした。図５１にセラミック製ハニカム担体１２０１側の線膨張係数の小さい材料１２１５の先端をカギ状にしたものを保持部材１２１４とした例を示すが、セラミック製ハニカム担体１２０１の端面の縁を支持する構造であれば、この限りではない。
【０１１１】
本実施例では、セラミック製ハニカム担体１２０１は、直径６６ｍｍ、全長６０ｍｍ、セルサイズ４００ｃｐｉ、セル壁厚０．１〜０．２ｍｍでコージェライト製とし、波板１２０２は、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ組成よりなる耐熱ステンレス箔であって、板厚０．０３〜０．２０ｍｍ、波ピッチ２．５ｍｍ、波高さ２ｍｍ程度に成形されており、外筒１２０３は、線膨張係数の小さい耐熱ステンレス鋼板もしくは鋼管の厚さ１．５ｍｍを有するＳＵＳ４３０とし、保持部材１２０４は、線膨張係数の小さい材料に耐熱ステンレス鋼板ＳＵＳ４３０、線膨張係数の大きい材料１２０６に耐熱ステンレス鋼板ＳＵＳ３１０を用い、双方共に厚さ１．５ｍｍ、長さ４０ｍｍ、幅１０ｍｍとしたが、材質および厚さはこれに限定されるものではない。
【０１１２】
本実施例の作用を以下に述べる。
セラミック触媒コンバータは、エンジンからの排ガス熱および触媒反応熱により９５０℃以上の高温に昇温する。この際、セラミック製ハニカム担体１２０１を構成するコージェライトの線膨張係数が１．２×１０^-6であるのに対し、外筒１２０３を構成する金属、例えばＳＵＳ４３０の線膨張係数は１．１×１０^-5であり、両者の線膨張係数の差によりセラミック製ハニカム担体１２０１と外筒１２０３との間にはクリアランスが生じる。保持部材１２０４および１２１４は、高温下では構成する材料の線膨張係数の違い（本実施例では、セラミック製ハニカム担体１２０１側の線膨張係数の小さい材料１２０５の線膨張係数は１．１×１０^-5、他方の線膨張係数の大きい材料１２０６の線膨張係数は１．７×１０^-5）によって、図５２及び図５３の如く、線膨張係数の小さい材料１２０５または１２１５の側へ湾曲し、セラミック製ハニカム担体１２０１の端面の縁を軸方向、及び径方向に同時に支持し、外筒１２０３からのセラミック製ハニカム担体１２０１のズレ、及び脱落を防止する。 本実施例の如く、保持部材１２０４および１２１４は高耐熱性の金属で構成することにより、９５０℃以上の高温下においても欠落することなく、確実にセラミック製ハニカム担体１２０１を外筒１２０３に保持でき、耐熱性、耐振性に優れたセラミック触媒コンバータの提供が可能となる。
【０１１３】
このように、保持部材１２０４および１２１４は、セラミック製ハニカム担体１２０１の端面の縁を斜め方向から中心に向かって支持することにより、軸方向、及び径方向へのズレを同時に防止できる。
（第１３実施例）
本発明の第１３実施例を図５４から図５９を用いて説明する。
【０１１４】
図５４は、本発明の第１３実施例を示すセラミック触媒コンバータ１３００の斜視図である。セラミック製ハニカム担体１３１１は、保持部材１３１３を介して円筒状の外筒１３１２内に介挿されている。セラミック製ハニカム担体１３１１は直径６６ｍｍ、全長６０ｍｍ、セルサイズ４００ｃｐｉ、セル壁厚０．１〜０．２ｍｍでコージェライト製である。外筒１３１２は厚さ１．５〜２ｍｍの線膨張係数の小さい耐熱ステンレス鋼板もしくは鋼管から成る。当実施例ではＳＵＳ４３０製としたが、これに限定されるものではない。
【０１１５】
図５５は図５４のセラミック触媒コンバータ１３１０の断面図である。保持部材１３１３は、セラミック製ハニカム担体１３１１の外周面と外筒１３１２の内周面に互いに接触し、両者の間に隙間が生じないよう内挿され、外筒と接触する部にて少なくとも一カ所が接合され。外筒に固定されている。 保持部材１３１３は、２種類の線膨張係数の異なる金属板同志を重ね合わせて両端で接合したもので、セラミック製ハニカム担体に面した側に線膨張係数の小さな材料１３１４が、他方には線膨張係数の大きな金属１３１５が位置するように構成されている。
【０１１６】
本実施例では線膨張係数の小さな材料１３１４としてＳＵＳ４３０を、線膨張係数の大きな金属１３１５としてＳＵＳ３１０を使用し、また、円弧状の保持部材１３１３の中心角は９０〜１２０゜としたが、これに限定されるものではない。これらの条件は、後述する作用効果が得られるのに十分な組合せであればよい。
【０１１７】
セラミック触媒コンバータ１３００は、図５４に示した構造以外に図５７の如く保持部材を複数個配設する構造も可能である。図５８は、図５７の断面図である。図５８ではセラミック触媒コンバータ１３１０を構成する保持部材１３１３を２箇所に配設された例を示したが、配設する個数はこれに限定されるものでない。保持部材を複数個配設する場合には、図５８に示すように、周方向に等間隔に配設することが好ましい。
【０１１８】
本発明の第１３実施例のセラミック触媒コンバータ１３００の作用について説明する。
排ガス経路中に配設されたセラミック触媒コンバータは、排ガス熱と排ガス浄化に伴う触媒反応熱によって９５０℃以上の高温に達する。この際、セラミック製ハニカム担体１３１１は線膨張係数が小さい（１．２×１０^-6）コージェライトで構成されているのに対して、外筒１３１２はＳＵＳ４３０などの耐熱ステンレス鋼から成り、セラミック製ハニカム担体に対して線膨張係数が大きいため（１．１×１０^-5）、二者間には大きな熱膨張差により大きなクリアランスが発生する。
【０１１９】
本発明の第１３実施例において、保持部材１３１３は図５５及び図５８に示したように線膨張係数の異なる２種類の材料を重ね合わせて両端を接合したものであり、高温に曝されると図５６及び図５９に示すように、線膨張係数の大きい材料で構成される１３１５は外筒側に湾曲し、線膨張係数の小さな材料で構成される１３１４は、セラミック製ハニカム担体外周に沿って変形し、その結果保持部材１３１３は三日月状に変形し、担体１３１１と外筒１３１２との熱膨張差によって生じるクリアランスが吸収され、担体１３１１を確実に保持するように作用する。またこの変形は温度が低下すれば元の形状に戻るため、可逆的に使用可能である。
【０１２０】
本実施例は異種材料間の熱膨張差を利用した保持部材を用いることで、あらゆる温度環境下で確実にセラミック製ハニカム担体を保持できる。保持部材として一般的な無機弾性体にみられる熱劣化による保持力の減退が少ないため、９５０℃以上の高温条件下での使用でき、保持性能を長期間維持することが可能である。その結果、メタルハニカムコンバータよりも安価で、従来のセラミックコンバータに比べて耐振性と耐熱負荷性の点で大幅に優れたセラミック触媒コンバータを提供することができる。
【０１２１】
（第１４実施例）
本発明の第１４実施例を図６０から図６３を用いて説明する。
図６０は、本発明の第１４実施例のセラミック触媒コンバータ１４００の正面断面図であり、図６１は、図６０が高温の排気ガス中に配設した状態を示したものである。
【０１２２】
図６２は、図６０、図６１に採用される保持部材１４４０の模式図である。
図６３は、本発明の第１４実施例のセラミック触媒コンバータ１４００の他の実施例を示す正面の断面図である。
本発明の第１４実施例であるセラミック触媒コンバータ１４００は、排気ガス流れ方向に１インチ当り４００個の導通路を有する直径７１ｍｍ、長さ６０ｍｍのコージェライト製ハニカム担体４２０が、板厚１．５ｍｍの円筒形状の耐熱ステンレス製外筒１４３０にセラミック製ハニカム担体のクッション部材１４５０を介して圧入固定されている。このクッション部材１４５０は、例えばセラミックファイバーマットや、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ組成の耐熱ステンレス箔からなる、板厚０．０３〜０．２０ｍｍ、波ピッチ２．５ｍｍ、波高さ３ｍｍ程度の波板で構成されている。
【０１２３】
セラミック製ハニカム担体１４２０の外径は、外筒１４３０の内径より小さく、保護部材１４５０は、セラミック製ハニカム担体が損傷しない程度の０．３から０．８ｍｍの圧入代を有している。さらに、外筒１４３０には、セラミック製ハニカム担体１４２０の排ガス流れ方向への飛び出しを規制する変形規制部材１４３１を外筒１４３０の両端部に接合してある。この変形規制部材１４３１は円環形状、または複数の短冊形状により構成されている。二つの変形規制部材１４３１の少なくとも一方側の変形規制部材とセラミック製ハニカム担体１４２０との間には、保持部材１４４０が一枚以上取付られている。図６０と図６１には一枚、図６３には二枚取付けた場合を示した。この保持部材１４４０は、図６２に示す如く、線膨張係数の大きなステンレス鋼１４４１（ＳＵＳ３４０またはＳＵＳ３１０等）と小さなステンレス鋼１４４２（ＳＵＳ４３０またはＳＵＳ４１０またはＦｅ−２０Ｃｒ−５Ａｌ）の２種類の金属板により構成されている。保持部材１４４０は、線膨張係数の小さな金属１４４２を内周側に、線膨張係数の大きな金属１４４１を外周側に位置するよう螺旋形状またはＣリング形状に加工された後、レーザビーム接合、ろう付け等の機械的接合により少なくとも両端部を接合されている。
【０１２４】
この保持部材は円周方向の少なくとも一端部は、厚みが徐々に小さくなる傾斜部１４４５が加工されており、傾斜部１４４５は、他端と重なり合うようよう構成されている。本実施例において、傾斜部１４４５の角度は３０〜４５゜とした。しかしながら、これに限られるものではなく、後述の如く、高温時にセラミック製ハニカム担体を保持可能な変位量が得られる板厚およびテーパの傾斜角であれば差し支えない。
【０１２５】
次に、本実施例の作用を述べる。
本実施例のセラミック触媒コンバータは、排気経路に取り付けられて触媒として機能する。車両の高負荷運転時では、セラミック触媒コンバータは高温に曝される。高温下で使用する場合、セラミック触媒コンバータは、熱膨張係数の大きな外筒と熱膨張係数の小さなコージェライト製のハニカム担体から構成されているため、外筒とセラミック製ハニカム担体の間には大きなクリアランスが発生し、セラミック製ハニカム担体が損傷すると言った問題があった。
【０１２６】
本実施例のセラミック触媒コンバータは、高温環境下において、保持部材の排ガス流れ方向の変形により得られる押付け力でセラミック製ハニカム担体を固定する構造を特徴としている。この保持部材は、熱膨張係数の異なる２種類の金属で構成されており、線膨張係数の小さな金属を内周側に、線膨張係数の大きな金属を外周側に位置するよう構成されているため、両者の熱膨張率差で保持部材は螺旋またはＣリング形状の内径を小さくするように変形する。したがって、保持部材は、円周方向の端部の重なり量が大きくなる方向に変形する。その結果、保持部材は、変形規制部材とセラミック製ハニカム担体の端面に生じたクリアランスを吸収し、図６１の如く確実に保持することができる。
【０１２７】
均一な押し付け力を得るためには、図６３の如く２枚の保持部材を用い、お互いの重なり部分を１８０度ずらし使用することが考えられる。また、セラミック製ハニカム担体の両端にお互いの重なり部分を１８０度ずらして配設した場合においても同様の効果を得ることができる。さらに、セラミック製ハニカム担体の保持力は保持部材の傾斜部の角度と板厚を変化させれば、任意の強さに調整できる。
【０１２８】
このように、保持部材１４４０は、高耐熱性の金属で構成することにより、９５０℃以上の高温下においても欠落することなく、確実にセラミック製ハニカム担体１４２０を外筒１４３０に保持でき、耐熱性、耐振性に優れたセラミック触媒コンバータの提供が可能となる。
（第１５実施例）
本発明の第１５実施例を図６４から図６７を用いて説明する。
【０１２９】
図６４は、本発明の第１５実施例のセラミック触媒コンバータ１５００を構成する各部品の組み付け状態を示す展開図であり、図６５は軸方向の断面図である。
セラミック製ハニカム担体１５０１は、円筒状の外筒１５０２内に介挿され、セラミック製ハニカム担体１５０１の少なくとも一方の端面には、セラミック製ハニカム担体１５０１とほぼ等しい外径を持つ保持部材１５０３が組み込まれている。保持部材１５０３の外側には略円環状の変形規制部材１５０４が外筒１５０２の両端面に接合固定され、セラミック製ハニカム担体１５０１と保持部材１５０３が外筒１５０２から突出するのを防止している。セラミック製ハニカム担体１５０１は直径６６ｍｍ、全長６０〜１００ｍｍ、セルサイズ４００ｃｐｉ、セル壁厚０．１〜０．２ｍｍでコージェライト製である。
【０１３０】
外筒１５０２は厚さ１．５〜２ｍｍの線膨張係数の小さい耐熱ステンレス鋼板もしくは鋼管から成る。当実施例ではＳＵＳ４３０製としたが、これに限定されるものではない。セラミック製ハニカム担体１５０１の端面と保持部材１５０３は、互いに少なくとも一部では接触し、両者の間に隙間が生じないように構成されている。同様に保持部材１５０３と変形規制部材１５０４も互いに少なくとも一部では接触し、両者の間に隙間が生じないように構成されている。保持部材１５０３は０．２〜０．８ｍｍ軸方向に弾性変形する程度に圧縮された状態で組付けられている。図６４、図６５では上流側、下流側いずれの開口端にも保持部材１５０３が配設された例を示したが、上流側、下流側のいずれか一方にしか配設されていない構成も可能である。
【０１３１】
保持部材１５０３について詳しく説明する。保持部材１５０３は周方向に沿って波型のプロファイルを持つ略円環状を成している。図６６に保持部材１５０３の拡大図を示す。保持部材１５０３は、厚さ０．０５〜１ｍｍの比較的線膨張係数の小さな材質（当実施例ではＳＵＳ４３０）から成る基板１５０５に、やはり厚さ０．０５〜１ｍｍで基板１５０５に比べて線膨張係数の大きな材質（当実施例ではＳＵＳ３１０）から成る薄板１５０６を接合した構造を持つ。薄板１５０６は基板１５０５の全屈曲部の内側にそれぞれ設置されている。ここに記載した材料以外にも、セラミック触媒コンバータの使用環境に耐え、互いに接合性に優れ、線膨張係数の差が大きな材料同志の組合せであれば、同様に使用できる。
【０１３２】
変形規制部材１５０４は、高温下でのセラミック製ハニカム担体１５０１、外筒１５０２、保持部材１５０３の膨張変形による応力に対して十分な強度を有する略円環状部材で、外筒１５０２に固定されている。材質はここでは外筒１５０２と同一であるが、接合性、耐熱性などに問題がなければ他の材質も利用可能である。変形規制部材１５０４と保持部材１５０３は、図６６に示すように、薄板１５０６が接合されていない範囲で互いに接合されている。
【０１３３】
当実施例の作用について説明する。
排ガス経路中に配設されたセラミック触媒コンバータは、排ガスの熱と浄化の際の触媒反応熱によって９５０℃以上の高温に達する。この際、セラミック製ハニカム担体１５０１は線膨張係数が小さい（１．２×１０^-6）コージェライトで構成されているのに対して、外筒１５０２はＳＵＳ４３０などの耐熱ステンレス鋼から成り、セラミック製ハニカム担体に対して線膨張係数が大きいため（１．１×１０^-5）、二者間には大きな熱膨張差が生じる。
【０１３４】
当実施例において、保持部材１５０３は前述のように線膨張係数に差のある２種類の材料を接合し、構成されている。高温に曝されると、薄板１５０６は基板１５０５よりも膨張量が大きいため、基板１５０５の各屈曲部は広げられる。変形規制部材１５０４と固定されている部分は変位できないため、結果として図６７に示すように保持部材１５０３の軸方向長が増すことになり、これが担体１５０１と外筒１５０２との熱膨張量の差を埋めるように作動し、軸方向の空隙の発生を防止する。温度が下がれば、各構成要素は収縮し、元の形状・寸法に復帰するが、その過程においても軸方向の空隙は発生せず、担体１５０１は常に確実に保持される。
【０１３５】
当実施例は異種材料間の熱膨張差を利用した保持部材を用いることで、あらゆる温度環境下で確実にセラミック製ハニカム担体を保持できる。保持部材として一般的な無機弾性体にみられる熱劣化による保持力の減退が少なく、金属製のバネのように高温下でクリープし、繰返し使用に耐えられないといった問題もない。従って、９５０℃以上の高温条件下で使用が可能で、保持性能を長期間維持することができる。その結果、メタルハニカムコンバータよりも安価で、従来のセラミックコンバータに比べて耐振性と耐熱負荷性の点で非常に優れたセラミック触媒コンバータを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、第１実施例の触媒コンバータの模式図である。
【図２】図２は、触媒コンバータの搭載を示す一部断面図である。
【図３】図３は、触媒コンバータの搭載を示す一部断面図である。
【図４】図４は、第１実施例の触媒タンバータの取付け構造を示す断面図である。
【図５】図５は、第１実施例の外筒の展開を示す模式図である。
【図６】図６（ａ），（ｂ）は、第１実施例の保持部材を示す模式図である。
【図７】図７（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）は、保持部材の他の溶接パターンを示す説明図である。
【図８】図８は、第１実施例の触媒コンバータの組付を説明する説明図である。
【図９】図９は、第１実施例の触媒コンバータの外筒の溶接部を示す模式図である。
【図１０】図１０は、触媒コンバータの外筒の他の展開を示す模式図である。
【図１１】図１１は、第１実施例の触媒コンバータの保持部の拡大図である。
【図１２】図１２は、第１実施例の触媒コンバータの他のクッション部材を示す模式図である。
【図１３】図１３は、第２実施例の触媒コンバータの組付状態を示す展開図である。
【図１４】図１４は、第２実施例の触媒コンバータの側面図である。
【図１５】図１５は、第３実施例の触媒コンバータの断面図である。
【図１６】図１６は、第３実施例の触媒コンバータの側面図である。
【図１７】図１７は、第３実施例の保持部材の模式図である。
【図１８】図１８は、第３実施例の触媒コンバータの作用を説明する説明図である。
【図１９】図１９は、第４実施例の触媒コンバータの模式図である。
【図２０】図２０は、第４実施例の触媒コンバータの断面図である。
【図２１】図２１は、第４実施例の他の実施例の触媒コンバータの模式図である。
【図２２】図２２は、第４実施例の他の実施例の触媒コンバータの断面図である。
【図２３】図２３（ａ），（ｂ）は、第４実施例の保持部材の変形を説明する説明図である。
【図２４】図２４（ａ），（ｂ）は、図１９に示す触媒コンバータの作用を説明する説明図である。
【図２５】図２５（ａ），（ｂ）は、図２１に示す触媒コンバータの作用を説明する説明図である。
【図２６】図２６は、第４実施例に対する他の実施例の保持部材の形状を示す模式図である。
【図２７】図２７は、第５実施例の触媒コンバータの組付状態を示す展開図である。
【図２８】図２８は、第５実施例の触媒コンバータの断面図である。
【図２９】図２９は、第６実施例の触媒コンバータの正面図である。
【図３０】図３０（ａ），（ｂ），（ｃ）は、第６実施例の保持部材の模式図である。
【図３１】図３１は、第６実施例の触媒コンバータの作用を説明する説明図である。
【図３２】図３２は、第７実施例の触媒コンバータの側面図である。
【図３３】図３３は、第７実施例の触媒コンバータの作用を説明する説明図である。
【図３４】図３４は、第７実施例の触媒コンバータの作用を説明する説明図である。
【図３５】図３５は、第８実施例の触媒コンバータの正面断面図である。
【図３６】図３６は、第８実施例の触媒コンバータの側面図である。
【図３７】図３７は、第８実施例の保持部材の模式図である。
【図３８】図３８は、第８実施例の他の実施例を示す触媒コンバータの側面図である。
【図３９】図３９は、第９実施例の触媒コンバータの組付状態を示す斜視図である。
【図４０】図４０は、第９実施例の触媒コンバータの一部断面図である。
【図４１】図４１は、第９実施例の触媒コンバータの一部断面図である。
【図４２】図４２は、第９実施例の保持部材の他の実施例を示す一部断面図である。
【図４３】図４３は、第９実施例の保持部材の他の実施例を示す一部断面図である。
【図４４】図４４は、第１０実施例の触媒コンバータを示す斜視図である。
【図４５】図４５は、第１１実施例の触媒コンバータの断面図である。
【図４６】図４６は、第１１実施例の触媒コンバータの作用を説明する説明図である。
【図４７】図４７は、第１１実施例の保持部材を示す模式図である。
【図４８】図４８は、第１１実施例に対する他の実施例としての触媒コンバータを示す模式図である。
【図４９】図４９は、第１２実施例の触媒コンバータを示す斜視図である。
【図５０】図５０は、第１２実施例の触媒コンバータを示す断面図である。
【図５１】図５１は、第１２実施例に対する他の実施例としての触媒コンバータの概略図である。
【図５２】図５２は、第１２実施例の触媒コンバータの作用を説明する説明図である。
【図５３】図５３は、第１２実施例に対する他の実施例としての触媒コンバータの作用を説明する説明図である。
【図５４】図５４は、第１３実施例の触媒コンバータの組付状態を示す斜視図である。
【図５５】図５５は、第１３実施例の触媒コンバータの断面図である。
【図５６】図５６は、第１３実施例の作用を説明する説明図である。
【図５７】図５７は、第１３実施例に対する他の実施例としての触媒コンバータの斜視図である。
【図５８】図５８は、図５７に示す触媒コンバータの断面図である。
【図５９】図５９は、第１３実施例の他の実施例の作用を説明する説明図である。
【図６０】図６０は、第１４実施例の触媒コンバータの正面断面図である。
【図６１】図６１は、第１４実施例の触媒コンバータの作動を説明する説明図である。
【図６２】図６２は、第１４実施例の保持部材の模式図である。
【図６３】図６３は、第１４実施例に対する他の実施例の触媒コンバータの正面断面図である。
【図６４】図６４は、第１５実施例の触媒コンバータの組付状態を示す展開図である。
【図６５】図６５は、第１５実施例の触媒コンバータの断面図である。
【図６６】図６６は、第１５実施例の触媒コンバータの保持部材の拡大図である。
【図６７】図６７は、第１５実施例の保持部材の作用を説明する説明図である。
【符号の説明】
１ セラミック触媒コンバータ
２ セラミック製ハニカム担体
４ 外筒
５ 保持部材

Claims (11)

1. エンジンの排気経路中に配置され、前記エンジンの排気ガスの有害成分を浄化させる触媒が担持されたセラミック製ハニカム担体と、
   前記セラミック製ハニカム担体を収納する外筒と、
   前記セラミック製ハニカム担体と前記外筒との間に介在され、線膨張係数の異なる金属が組み合わせられるとともに、前記排気ガスにより、温度が上昇することによって、前記セラミック製ハニカム担体と前記外筒とのクリアランスを吸収する保持部材と、
   を具備し、
   前記保持部材がセラミック製ハニカム担体の端面または／および前記セラミック製ハニカム担体外周側面と前記端面とが交わる角部を保持するものであり、
   かつ保持部材が熱膨張により、セラミック製ハニカム担体の略径方向または／および略円周方向または／および略軸方向の変形によって、前記セラミック製ハニカム担体を保持することを特徴とするセラミック触媒コンバータ。
2. 前記保持部材がセラミック製ハニカム担体の端面または／および前記セラミック製ハニカム担体外周側面と前記端面とが交わる角部を保持することを特徴とする請求項１記載のセラミック触媒コンバータ。
3. 前記保持部材が帯状の金属板同士を接合して構成され、セラミック製ハニカム担体の端面に放射状に複数個配置されることを特徴とする請求項１記載のセラミック触媒コンバータ。
4. 前記保持部材が円環あるいはリング状の金属板を接合して構成されることを特徴とする請求項１記載のセラミック触媒コンバータ。
5. 前記保持部材のセラミック製ハニカム担体側を線膨張係数の小さい金属板で構成し、反対側を線膨張係数の大きい金属板で構成し、お互いの金属板を接合して構成されることを特徴とする請求項１乃至４いずれか１記載のセラミック触媒コンバータ。
6. 前記保持部材が線膨張係数の大きい円環の外周端面近傍にのみ線膨張係数の小さい円環を接合して構成されることを特徴とする請求項１記載のセラミック触媒コンバータ。
7. 前記保持部材は外筒の一部、あるいは前記外筒に接続された円環状あるいは帯状の変形規制部材と、前記セラミック製ハニカム担体端面との間に挿入され、前記外筒の一部あるいは前記変形規制部材と前記セラミック製ハニカム担体端面のクリアランスが、前記保持部材の熱膨張によって変形できる長さ以下になるよう構成されることを特徴とする請求項１乃至６いずれか１記載のセラミック触媒コンバータ。
8. 前記保持部材の少なくとも１カ所が外筒に固定されていることを特徴とする請求項１乃至７いずれか１記載のセラミック触媒コンバータ。
9. 前記保持部材の接合部が、レーザビーム接合またはろう付けにより設けられることを特徴とする請求項１乃至８いずれか１記載のセラミック触媒コンバータ。
10. 前記保持部材とセラミック製ハニカム担体との間、もしくは外筒とセラミック製ハニカム担体との間に、耐熱金属箔あるいは、耐熱製セラミックファイバーマットで構成されるクッション部材が設けられることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１記載のセラミック触媒コンバータ。
11. 前記保持部材が２種以上の耐熱性ステンレスで構成される場合には、オーステナイト系ステンレス側もしくは線膨張係数の大きい側の前記保持部材の表面にアルミ蒸着処理を施したことを特徴とし、また、保持部材が１種以上の耐熱性ステンレスで構成される場合には、前記１種の保持部材の表面にアルミ蒸着処理を施したことを特徴とする請求項１乃至１０いずれか１記載のセラミック触媒コンバータ。

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