JP4549607B2 - スリーブおよび短くされた筒状ジャケットを備える触媒支持体 - Google Patents

Description

【０００１】
この発明は、ハニカム体と、筒状ジャケット(tubular jacket)と、ハニカム体のまわりに配置されるスリーブとを有する触媒支持体に関する。この種類の触媒支持体は好ましくは、内燃機関、特に自動車両の排気装置内で用いられる。
【０００２】
ＷＯ ９９／３７８９６は、囲まれた（enclosed）ハニカム体を製造するためのプロセスを記載している。このハニカム体はシート金属層を有し、これらは、流体が流れることのできる通路をハニカム体が有するように少なくとも部分的に構成されている。このハニカム体は筒状ジャケットによって取囲まれる。それらの異なる材料特性およびそれらの異なる動作温度のために、ハニカム体と筒状ジャケットとは異なった熱膨張動作を有する。ハニカム体と筒状ジャケットとの間の熱応力を防ぐために、適切ならばハニカム体と筒状ジャケットとの間の相対的な運動を可能にする接続部が望まれている。
【０００３】
この目的のために、ハニカム体はスリーブを備えて設計され、これは、筒状ジャケットおよびハニカム体の製造公差にもかかわらず、ハニカム体と筒状ジャケットとの間の直接のはんだ継手が、ハニカム体の少なくとも１つの端の領域で避けられることを確実にするように意図されている。公知の先行技術では、この種類のスリーブは、ハニカム体のみ、または筒状ジャケットのみのいずれかに接続される。このようにして、筒状ジャケットまたはスリーブに関してのハニカム体の接続されていない部分の間の相対的な運動が可能になる。スリーブを備えるこれらのハニカム体は好ましくは以下のように配向される。すなわち、排気装置内でスリーブが上流に向かって、熱い排気ガスに向かって、配向され、その領域で起こる特に高い熱負荷(thermal loads)を補償できるように、配向される。この種類の触媒支持体を製造するためのプロセスは、接合技術を用いて所望の接続を簡単に得るために、スリーブをハニカム体または筒状ジャケットに装着するときに特別なケアを必要とする。これが保証できないと、熱応力によって動作中に触媒支持体の耐用年数が減じられるおそれがある。
【０００４】
さらに、筒状ジャケットとハニカム体とが互いに関して軸方向にずれて(axially offset)配置される、排気ガス浄化のためのコンバータ用の金属支持体がＤＥ ３６ ０３ ８８２ Ａ１から知られている。この場合、ハニカム体は、筒状ジャケットの一番端を超えて上流方向に突出する。ハニカム体は平滑および波状の耐熱金属シート層を含み、厚みは特に０．０１５から０．０６ｍｍであり、それらは交互に互いの上に層状に重ねられ、互いにはんだ付される。高い熱負荷に加えて、コンバータは高い動荷重にもさらされる。このような動荷重の下で、シェルによって取囲まれていないシート金属層の径方向の外側の端の領域は、はんだ付されたアセンブリから離れ(detach)、はためき(flap)始めるおそれがある。このはためきによって、より多くの数のはんだ継手が離れ、触媒活性面が金属シートから離れ、さらにはこの種類の触媒コンバータの効率が減じられる。
【０００５】
この発明の目的は、耐用年数が長く、単純な構造でありながら、高い熱負荷および動荷重の下でさえも筒状ジャケットとハニカム体との間の熱応力を避ける触媒支持体を特定することである。
【０００６】
この発明によると、この目的は、請求項１の特徴を有する触媒支持体によって達成される。有利な改善点および構成によって、従属請求項の主題が形成される。
【０００７】
この発明による触媒支持体は、シート金属層から作られるハニカム体を有し、これらの層は少なくとも部分的に、排気ガスが流れることのできる通路をハニカム体が有するように、構成される。さらに、触媒支持体は筒状ジャケットを含み、その軸方向のスパンはハニカム体の軸方向の大きさよりも短い。少なくとも１つの軸方向の部分的な領域(part-region)で、筒状ジャケットは接合技術によってハニカム体に接続される。スリーブがハニカム体の端部側(end side)付近の外側の領域に配置され、スリーブの軸方向の長さは、ハニカム体の軸方向の大きさよりも短い。その内側面(inner lateral surface)上で、スリーブは接合技術によってハニカム体のシート金属層の、端部側にある、径方向の外側の端の領域に接続される。この発明による触媒支持体は、以下の事実において優れている。すなわち、ハニカム体は金属チューブの縁を超えて突出し、ハニカム体のこの突出したセクションがスリーブによって取囲まれるという事実において優れている。
【０００８】
筒状ジャケットの厚みは好ましくは、０．５から２ｍｍの間にあり、スリーブの厚みは０．０２から０．１ｍｍの間にある。
【０００９】
スリーブは好ましくは以下の様態で設計される。すなわち、熱応力下で、少なくとも膨張動作に関して、それがハニカム体のシート金属層と同様の様態で挙動するように、設計される。したがって、この発明による触媒支持体は、筒状ジャケットとスリーブとの間の熱応力を防ぎながら、熱負荷の下でのハニカム体の突出したセクションの熱膨張を可能にする。加えて、シート金属層と比べて比較的固い(solid)筒状ジャケットが存在しないことにより、突出しているセクションの急熱(rapid heating)が可能となり、これが比較的短い着火時間につながる。
【００１０】
スリーブがハニカム体の端部側にまで延び、少なくとも部分的にハニカム体の全周(entire circumference)を取囲むならば、特に有利である。このようにして、シート金属層の端の領域が囲まれ、はためきが防止される。
【００１１】
さらなる構成によると、スリーブの軸方向の長さまたはハニカム体の軸方向の大きさの少なくとも１０ｍｍ、特に少なくとも２０ｍｍが、筒状ジャケットの縁を超えて突出する。この種類の触媒支持体が排気装置内に配置される場合に特に、大部分の熱エネルギがハニカム体のこの前領域で吸収される。なぜならば、ここが、熱い排気ガスがハニカム体と接触する場所であるからである。スリーブを有するハニカム体の突出部分は、大きな圧縮応力が生成されることもなく、比較的制約されない様態で膨張することができる。
【００１２】
さらなる例示的な実施例によると、触媒支持体はスリーブを備えて設計され、スリーブの軸方向の長さの多くて２０ｍｍ、特に多くて１０ｍｍが、筒状ジャケットによって取囲まれる。意図される応用または排気装置内のこの種類の触媒支持体の配置に従ったコンバータの熱動作と動的動作との間でバランスがとられ(struck)得る。たとえば、比較的低い動的力のみが生じると、ハニカム体とスリーブとは、筒状ジャケットを大きく超えて突出し得るが、着火温度に達するまでの時間が減じられ得る。
【００１３】
さらなる別の例示的な実施例に従うと、スリーブは接合技術によって筒状ジャケットに接続される。この場合、スリーブが高温真空はんだ付によって筒状ジャケットに接合されると特に有利である。この種類の継手によって、触媒支持体の安定度が増大する。
【００１４】
触媒支持体のさらなる構成に従うと、スリーブは少なくとも１つの微細構造を有し、これは特に０．０４から０．２ｍｍの構造の高さ(structure height)を有する。少なくとも１つの微細構造が、取囲む設計(encircling design)であることが特に有利である。微細構造は、第１にスリーブをより剛性にし、したがってスリーブを変形に対してより安定させ、第２にハニカム体とスリーブとの間の規定された接続、または筒状ジャケットとスリーブとの間の規定された接続を作る助けとなる。このようにして、触媒支持体の適用区域(application area)に従って適応されるはんだ点(solder points)が、スリーブとハニカム体との間に規定される。同じことが、接合技術を用いるスリーブと筒状ジャケットとの間の接続にも当てはまる。スリーブと筒状ジャケットとの間にこのような接続が全く存在しない場合には、触媒支持体の熱膨張の間に筒状ジャケットとスリーブとの間で起こる摩擦力に影響が与えられるおそれがある。
【００１５】
さらなる別の例示的な実施例に従うと、複数の微細構造は互いに交差する(intersect)。したがって、隣接する構成要素の間に、事実上点状の接触部のみが生成される。
【００１６】
さらなる別の例示的な実施例に従うと、少なくとも１つの微細構造が、スリーブの外側面(outer lateral surface)の方向にのみ配置される。これによって、一方ではハニカム体のシート金属層とスリーブとの間で非常に安定した接続が可能となり、他方ではスリーブと筒状ジャケットとの間の相対的な運動が起こった場合の非常に低い摩擦係数が可能となる。さらなる例示的な実施例によると、ハニカム体は、好ましくは高温真空はんだ付によって筒状ジャケットにはんだ付される。この接合方法のために、この種類の触媒支持体は、たとえば排気ガスの脈動流の結果として起こり得る、たとえ非常に高い動荷重にも耐える。
【００１７】
触媒支持体のさらなる構成によると、シート金属層の、端部側の、径方向の外側の端の領域が、好ましくは高温真空はんだ付によって、１つの縁付近で、さらには内側面の少なくとも１つの取囲み円周領域(encircling circumferential region)において、スリーブにはんだ付される。スリーブの内側面の完全な取囲みストリップ(strip)にシート金属層の端の領域をはんだ付することは、各々の個々のシート金属層を固定し、したがって耐用年数を延ばす。加えて、シート金属層は、それ自体で知られている様態で端の側で共にはんだ付され得る。
【００１８】
さらなる別の例示的な実施例によると、筒状ジャケットの軸方向のスパンとスリーブの軸方向の長さとは合わせてハニカム体の軸方向の大きさに等しい。このようにして、最大限に自由な膨張が維持されながら、シート金属層がさらされることが防がれる。
【００１９】
この発明のさらなる思想に従うと、この種類の触媒支持体は、特に内燃機関からの排気ガスを浄化するための触媒コンバータ内で一体化される。触媒支持体に加えて、触媒コンバータはガス入口を備えたシェルを少なくとも有し、触媒支持体は、ハニカム体またはスリーブの突出セクションがガス入口に向かった状態で配向される。これは、この領域が最も熱い排気ガスに接触し、したがって最も高い熱負荷にさらされることを意味する。この負荷は、膨張が自由に起こるために、十分に補償され得る。
【００２０】
さらなる例示的な実施例によると、触媒支持体はガス入口付近に配置される。この場合、触媒支持体は好ましくは、特に非常に短い着火時間によって特徴付けられる予備的な(preliminary)触媒コンバータとして働き、着火時間とは、内燃機関のコールドスタートから、対応するように設計された触媒コンバータ面上での排気ガスの効果的な触媒変換(catalytic conversion)に達するまでに経過する時間を意味する。たとえば３ウェイ(way)触媒コンバータおよび／または炭化水素吸収体等のさらなる排気ガス浄化構成要素は一般に、この種類の予備的な触媒コンバータの下流に接続される。
【００２１】
触媒支持体の筒状ジャケットが接合技術によってシェルに接続されていると特に有利である。特に、筒状ジャケットの一番端の付近での溶接継手が有利である。なぜならば、この種類の接続によって、ハニカム体の熱膨張、適切ならば、動的振動が可能となるためである。
【００２２】
この発明による触媒支持体のさらなる詳細は、図の中で示される特に好ましい例示的な実施例を参照しながら説明される。
【００２３】
【詳細な説明】
図１は、端部側５と軸方向の大きさ４とを備えるハニカム体１を示す。この発明によると、触媒支持体の組立てられた状態では筒状ジャケット９の縁１０を超えて突出するセクション７が、ハニカム体１の外側の領域８上に示される。さらに、シート金属層２の端が、ハニカム体１の外側の領域８上に見られ得る。
【００２４】
筒状ジャケット９は、軸方向のスパン１１を有し、接合技術によって少なくとも軸方向の部分的な領域(axial part region)１２でハニカム体１に接続される。
【００２５】
スリーブ１３は、軸方向の長さ１４、縁１８、内側面１５、および外側面１６を有する。スリーブは、内側面１５上の円周領域１９でハニカム体１に接続される。スリーブはハニカム体１上に以下のように配置される。すなわち、縁１８の端部(ends)がハニカム体１の端部側５と面一になるように、配置される。
【００２６】
複数の取囲み微細構造１７が、スリーブ１３の外側面１６上に示される。スリーブ１３を備えるハニカム体が筒状ジャケット９内に導入された後、微細構造１７は、ハニカム体１の熱膨張の際にスリーブ１３と筒状ジャケット９との間に生じる摩擦力に大きな影響を与える。さらに、それらは変形に対してスリーブ１３を安定させる。
【００２７】
図２は、筒状ジャケット９と、スリーブ１３と、シート金属層２から生成されるハニカム体１とを有する、この発明による触媒支持体の端部側面図を示す。シート金属層は、排気ガスが通ることのできる通路３をハニカム体１が有するように、少なくとも部分的に構成されているか、または積み重ねられ、および／または巻かれている。シート金属層２の径方向の外側の端の領域６が、スリーブ１３に寄りかかる(bear against)。金属シート２２の端の領域６が高温真空はんだ付によってスリーブ１３に接合され、すべての端の領域６がスリーブ１３に接続されることが特に有利である。
【００２８】
このように設計される触媒支持体は、ハニカム体の突出セクション７が自由に膨張できるという事実から、熱負荷が適用されるときのハニカム体１と筒状ジャケット９との異なる熱膨張を補償することができる。接合技術によって端の領域６がスリーブ１３に接続されるという事実によって、シート金属層２がはためくことが防がれ、結果として特に安定した触媒支持体が得られる。
【００２９】
図３は、微細構造１７を備えるスリーブ１３を製造するためのスリーブ金属シート２３を示す。スリーブ金属シート２３がスリーブ１３へと変形された後、互いと平行する微細構造１７が、所望されるように配向され得る。
【００３０】
図４および図５は、異なるように設計された微細構造１７を備えるスリーブ金属シート２３の２つの例示的な実施例の断面図を示す。図６は、互いに交差する微細構造１７を備える別のスリーブ金属シート２２の斜視図である。
【００３１】
図７は、特に内燃機関からの排気ガスを浄化するための触媒コンバータ内でのこの発明による触媒支持体の構成を示す概略図である。触媒コンバータは、スリーブ１３とハニカム体１と筒状ジャケット９とを備える触媒支持体と、ガス入口２１を備えるシェル２０とを含む。熱い排気ガスがガス入口を通って流れる。触媒コンバータはガス入口２１付近に配置され、スリーブ１３はガス入口２１に向けられる。このようにして、最も高い熱負荷を受ける触媒支持体のそのセクション７に、最大限に自由な膨張が与えられる。筒状ジャケット９は、接合技術によってシェル２０に接続される。
【００３２】
この種類の触媒支持体は、自動車両の排気装置内のエンジン付近での設置に特に好適である。なぜならば、それは、長期間にわたってその領域に存在する非常に高い熱負荷および動荷重に耐えることができるためである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ハニカム体、スリーブ、および筒状ジャケットの斜視図である。
【図２】 この発明に従った触媒支持体の設置(installed)実施例の端部側面図である。
【図３】 微細構造を備えるスリーブの金属シートを示す図である。
【図４】 微細構造を備えるスリーブの金属シートの例示的な実施例の断面図である。
【図５】 微細構造を備えるスリーブの金属シートのさらなる例示的な実施例の断面図である。
【図６】 互いに交差する微細構造を備えるスリーブの金属シートの斜視図である。
【図７】 触媒コンバータ内のこの発明による触媒支持体の概略図である。
【符号のリスト】
１ ハニカム体、２ シート金属層、３ 通路、４ 大きさ、５ 端部側、６ 端の領域、７ セクション、８ 外側の領域、９ 筒状ジャケット、１０ 縁、１１ 大きさ、１２ 部分的な領域、１３ スリーブ、１４ 長さ、１５ 内側面、１６ 外側面、１７ 微細構造、１８ 縁、１９ 円周領域、２０ シェル、２１ ガス入口、２２ 金属シート、２３ スリーブ金属シート。

Claims (14)

1. 触媒支持体であって、
   シート金属層（２）を含むハニカム体（１）を有し、この体は、第２の軸方向長さ（４）と、排気ガスが流れることのできる通路（３）をハニカム体（１）が有するように少なくとも部分的に構成されたシート金属層（２）とを有し、前記触媒支持体はさらに、
   縁（１０）と第３の軸方向長さ（１１）とを備える筒状ジャケット（９）を有し、第３の軸方向長さ（１１）はハニカム体（１）の第２の軸方向長さ（４）よりも短く、筒状ジャケット（９）は接合技術によって少なくとも１つの軸方向の部分的な領域（１２）でハニカム体（１）に接続され、前記触媒支持体はさらに、
   スリーブ（１３）を有し、その第１の軸方向長さ（１４）はハニカム体（１）の軸方向長さ（４）よりも短く、スリーブ（１３）は、端部側（５）付近でハニカム体（１）の外側の領域（８）上に配置され、内側面（１５）を有し、これは、接合技術によってハニカム体（１）のシート金属層（２）の、端部側の径方向の外側にある、端の領域（６）に接続され、
   ハニカム体（１）は筒状ジャケット（９）の縁（１０）を超えて突出し、この突出セクション（７）はスリーブ（１３）によって取囲まれており、
   このスリーブ（１３）は０．０２ｍｍから０．１ｍｍの間の厚さを有しかつ筒形状であり、
   シート金属層（２）の端部側における径方向の外側の端領域（６）は、１つの縁（１８）付近でさらには内側面（１５）の少なくとも取囲む円周領域（１９）で、スリーブ（１３）にはんだ付さている
   ことを特徴とする、触媒支持体。
2. スリーブ（１３）はハニカム体（１）の端部側（５）にまで延びることを特徴とする、請求項１に記載の触媒支持体。
3. スリーブ（１３）の第１の軸方向長さ（１４）の少なくとも１０ｍｍが、筒状ジャケット（９）の縁（１０）を超えて突出することを特徴とする、請求項１または２に記載の触媒支持体。
4. スリーブ（１３）の第１の軸方向長さ（１４）の多くて２０ｍｍが、筒状ジャケット（９）によって取囲まれることを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の触媒支持体。
5. スリーブ（１３）は接合技術によって筒状ジャケット（９）に接続されることを特徴とする、請求項１から４のいずれかに記載の触媒支持体。
6. スリーブ（１３）は少なくとも１つの微細構造（１７）を有することを特徴とする、請求項１から５のいずれかに記載の触媒支持体。
7. 少なくとも１つの微細構造（１７）は取囲む設計からなることを特徴とする、請求項６に記載の触媒支持体。
8. 複数の微細構造（１７）は互いに交差することを特徴とする、請求項６または７に記載の触媒支持体。
9. スリーブ（１３）は外側面（１６）を有し、
   少なくとも１つの微細構造（１７）はスリーブ（１３）の外側面（１６）の方向にのみ配置されることを特徴とする、請求項１から８のいずれかに記載の触媒支持体。
10. ハニカム体（１）は、筒状ジャケット（９）にはんだ付されることを特徴とする、請求項１から９のいずれかに記載の触媒支持体。
11. 筒状ジャケット（９）の第３の軸方向長さ（１１）とスリーブ（１３）の第１の軸方向長さ（１４）とは合わせてハニカム体（１）の第２の軸方向長さ（４）に等しいことを特徴とする、請求項１から１０のいずれかに記載の触媒支持体。
12. 内燃機関からの排気ガスを浄化するための触媒コンバータであって、
    請求項１から１１のいずれかに記載の触媒支持体と、
    ガス入口（２１）を有するシェル（２０）とを少なくとも含み、
    触媒支持体は、スリーブ（１３）がガス入口（２１）に向けられて配向されることを特徴とする、触媒コンバータ。
13. 触媒支持体はガス入口（２１）付近に配置されることを特徴とする、請求項１２に記載の触媒コンバータ。
14. 触媒支持体の筒状ジャケット（９）は接合技術によってシェル（２０）に接続されることを特徴とする、請求項１２または１３に記載の触媒コンバータ。

Images