JP4809563B2 - 微細構造の膨張可能なスリーブを備えた触媒担体 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、ハニカム体と、外被管と、両者間に配置されたスリーブとを備えた触媒コンバータ用の触媒担体とその製造方法に関する。そのような触媒コンバータは、内燃機関、特に自動車の排気装置に賞用されている。
【０００２】
国際特許出願公表９９／３７８９６号明細書に、外被形ハニカム体の製造方法が記載されている。その外被形ハニカム体は、ハニカム体が排気ガスの貫流可能な通路を備えるよう、積層および／又は巻回により形成され、少なくとも部分的に微細構造化された板状金属層を有している。ハニカム体は外被管により包囲されている。ハニカム体と外被管は、それらの異なる材料特性および運転中の互いに異なる温度に基づき、異なる熱膨張挙動を示す。従って、ハニカム体の少なくとも片側終端範囲で、ハニカム体と外被管との固い結合を避けるよう配慮している。この理由から、外被形ハニカム体にスリーブが設けられている。該スリーブは、外被管とハニカム体の製造上の公差にも係らず、ハニカム体の少なくとも片側終端範囲におけるハニカム体と外被管との直接ろう付け結合が確実に避けられるようにしている。この種ハニカム体の製造時、ハニカム体とスリーブ間の幾つかの接触個所は、多少はたまたま相互に結合されても、大半の接触個所は結合されないままである。そのようにして確かに、外被管とハニカム体の間の熱応力は避けられるが、ハニカム体のスリーブへの所定の結合が達成されない。
【０００３】
排気装置で触媒担体として利用されるこの種外被形ハニカム体は、熱的負荷だけでなく、動的荷重をも受ける。これは、ハニカム体の移動可能に配置された終端範囲が振動することを意味する。強固に固定されていない接触個所は緩み、固定されていない板状金属端は自由にふらつき、その結果、触媒作用層が剥離してしまう。更に、ハニカム体のこの自由にふらつく部分範囲が緩み、隣接する通路を塞いだり、隣接する排気装置の構成要素を損傷したりする危険がある。
【０００４】
本発明の課題は、大きな熱的交番荷重の下でさえ外被管とハニカム体の間の熱応力を回避し、且つ例えば脈動する排気ガス流による動的荷重下での板状金属自由端や波形板状金属のふらつきを回避できる触媒担体を提供することにある。
【０００５】
本発明の課題は、更にそのような触媒担体の製造方法を提供することにある。
【０００６】
本発明は、この課題を請求項１に記載の触媒担体および請求項１４に記載の製造方法によって解決する。有利な実施態様は各従属請求項に示す。
【０００７】
本発明に基づく触媒担体は、板状金属層から成るハニカム体を備え、この板状金属層は、ハニカム体が排気ガスの貫流可能な通路を形成するよう、少なくとも一部が微細構造化される。ハニカム体は、少なくとも部分的に外被管で包囲される。その外被管は、少なくとも１つの軸方向部分範囲だけでハニカム体に接合法で結合される。なお、接合法での結合とは、接着、ろう付け、溶接等による物質的な結合を意味する。ハニカム体の軸方向長さより短寸のスリーブが、外被管の内側壁の部分に接触する。スリーブは、ハニカム体外周の端面近傍に配置する。スリーブの内周面は、本発明に基づき、その円周にわたり、ハニカム体の板状金属層の端面側半径方向外側に位置する終端範囲に、この終端範囲のふらつきを防止すべく接合法で結合する。板状金属層の半径方向外側に位置する終端範囲は、スリーブとの結合に基づき、個別の振動を生じない。この結果、大きな動的荷重下でも、触媒作用層はじっと動かないでいる。この終端範囲のハニカム体からの緩みを阻止し、この結果、触媒担体は、有害物の発生に関して最良の効果を発揮し、大きな寿命を示す。
【０００８】
本発明の他の実施態様で、触媒コンバータの触媒担体は、ハニカム体が外被管に対し熱膨張した際、スリーブが移動可能な点で優れている。かくして、触媒担体の熱的負荷の下での、外被管とハニカム体の異なる熱膨張を補償する。
【０００９】
スリーブを少なくともハニカム体の端面迄延ばし、板状金属層の終端範囲に結合するとよい。この結果、板状金属層の終端範囲を特に強固に固定できる。
【００１０】
本発明の有利な実施態様では、スリーブが外被管の縁より突出し、スリーブの辺が、外被管の縁に鍔状に接するよう、半径方向外側に折り曲げる。かくしてハニカム体を挿入する際および／又は触媒担体の運転中に、ハニカム体が所定の挿入深さを越えて外被管内に侵入するのを阻止するストッパが生ずる。
【００１１】
本発明の他の実施形態では、スリーブは少なくとも１つの微細構造を持つ。この結果、スリーブは外被管との小さな接触面を示す。これは特に、ハニカム体が熱膨張した際、スリーブが外被管に対し小さな摩擦力のため容易に移動でき、外被管とハニカム体との間の熱応力を特に良好に阻止できる点で有利である。この微細構造は、スリーブの軸方向長さにわたり少なくとも部分的に延び、好適にはその全長にわたって形成される。
【００１２】
本発明の他の実施態様では、微細構造を環状に形成する。これは、微細構造をスリーブに円周方向、軸縦方向又はスパイラル状に配置することを意味する。この種微細構造は、例えばヨーロッパ特許第４５４７１２号明細書で公知である。
【００１３】
本発明の他の実施態様では、例えば国際特許出願公表９６／０９８９２号明細書で知られているように、複数の微細構造が交差している。
【００１４】
特に、少なくとも１つの微細構造が、半径方向外側のみ、即ち外被管にしか向かないようスリーブを形成するとよい。こうすると、部分的に単に点状の非常に小さな接触面しか生じないので、外被管へのスリーブの固着を防止できる。加えて、少なくとも部分的にハニカム体とスリーブの線状接触面が生じるので、スリーブの内周面はハニカム体に良好にろう付けできる。
【００１５】
板状金属層が両側板状金属端を備えた少なくとも１つの板状金属を有し、その少なくとも１つの板状金属の少なくとも片側板状金属端がスリーブの内周面に接触する触媒担体において、本発明の他の実施態様に基づき、スリーブの内周面をそれに接する少なくとも片側板状金属端に接合法で結合する。スリーブの内周面は、それに接する全ての板状金属端に接合法で結合するとよい。
【００１６】
ハニカム体の他の実施態様では、板状金属層が隆起部付きの構造化された少なくとも１つの板状金属を有し、その少なくとも1つの板状金属が、その隆起部でスリーブの内周面に接触する。本発明に基づき、スリーブの内周面に、それに接する隆起部を接合法で結合する。
【００１７】
本発明の他の実施態様では、スリーブとハニカム体との結合部は、製造条件に伴いスリーブと外被管の間に生ずる結合より大きな強度を示す。この大きな強度は、異なる熱膨張に基づき生ずる応力を、まずスリーブと外被管との結合を断つことによって無くすることを保障する。スリーブと外被管との結合は、触媒担体の製造時、特に外被管内におけるスリーブの予備固定或いは意図しない点状の固着によって、意図的に或いは意図なしに生ずる。
【００１８】
本発明の他の実施態様で、ハニカム体と外被管との間の接合による結合はろう付け結合である。特にハニカム体を外被管に高温真空ろう付けするとよい。この結合は、自動車の内燃機関の排気装置、特にエンジン近くに据え付けられた触媒担体に生ずる、極端な熱的および機械的状態にも耐える点で優れている。
【００１９】
本発明は他の観点から、ハニカム体と外被管とスリーブとを備えた触媒担体の製造方法を提案する。まず、ハニカム体を、排気ガスが貫流する通路を形成するように、少なくとも部分的に構造化した板状金属層の積層および／又は巻回により公知のように形成する。続いて、外被管内にスリーブを入れ、スリーブの外周面を外被管の内側壁の部分に接触させる。その場合、スリーブが組立状態においてハニカム体の端面範囲の近くに存在するよう、スリーブを外被管内に配置するとよい。続いて、外被管の内側壁とスリーブの内周面の少なくとも１つの環状円周範囲にろう材を付ける。次に、ハニカム体を外被管とスリーブ内に入れ、ハニカム体の端面をスリーブ近傍で外被管の縁から突出させる。ハニカム体の突出した端面とその突出端面近傍の外側範囲に接着剤を着ける。ハニカム体の軸方向突出部分は、接着剤の塗布を容易にする。続いて、ハニカム体を外被管とスリーブ内に完全に入れる。そして、ハニカム体の端面側にろう材料、特にろう粉末を付着させ、ろう材を付ける。特にこの工程後、スリーブとハニカム体間でハニカム体の端面近傍の外側範囲にろう粉末が存在すると有利である。その後、ハニカム体と外被管およびハニカム体とスリーブをろう付け結合する。
【００２０】
本発明に基づく方法の有利な実施態様では、スリーブをハニカム体の板状金属層の終端範囲に高温真空ろう付けする。
【００２１】
本発明に基づく方法の他の実施態様では、スリーブを、ハニカム体の挿入前に外被管の内側壁に接着剤で接着する。そのために用いる接着剤は、ろう付け中に少なくとも部分的に気化する。かくして、ハニカム体と外被管の異なる熱膨張に基づき、スリーブが外被管の内側壁上を滑るのを保障する。
【００２２】
特に、スリーブの辺をまず半径方向外側に曲げ、その曲げた辺を、ハニカム体を外被管とスリーブ内に完全に挿入した後、外被管の縁に接触させるとよい。これに伴い、外被管内でのハニカム体の、特に正確な軸方向固定が行える。
【００２３】
以下図示の特に有利な実施例を参照して、本発明に基づく触媒担体とその製造方法の他の利点および詳細を説明する。
【００２４】
図１は、端面１２と軸方向長さ９を持つハニカム体１を示す。ハニカム体１の外側範囲１１に軸方向部分範囲６があり、該範囲でハニカム体１は外被管５と接合法で結合している。また該外側範囲１１に、板状金属端１７が見えている。
【００２５】
更に、スリーブ７を示している。スリーブ７の軸方向長さ８は、ハニカム体１の軸方向長さ９より短い。スリーブ７は、外周面１０と内周面１３と辺１９とを有している。スリーブ７をハニカム体１にその端面１２の近くで固定するため、スリーブ７の円周範囲２０を利用する。
【００２６】
外被管４は、内側壁５と端面側縁１４を持つ。外被管４は、接合状態では、スリーブ７付きのハニカム体１を包囲する。
【００２７】
上述した触媒担体の製造は、第１工程で、ハニカム体１を板状金属層１２（図２参照）の積層および／又は巻回により製造することから始まる。スリーブ７を外被管４内に入れ、その際、スリーブ７の外周面１０を外被管４の内側壁５に接触させる。外被管４の内側壁５およびスリーブ７の環状円周範囲２０に、ろう材を付ける。そして、ハニカム体１を外被管４およびスリーブ７内に入れる。その場合、外被管４内でのスリーブ７の位置は、できるだけ不変であるようにせねばならない。ハニカム体１は部分的に外被管４の縁１４から軸方向に突出する。ハニカム体１の突出した端面１２および該端面１２近傍における外側範囲１１に接着剤を付ける。接着剤は、端面１２並びに該端面１２近くにおける板状金属端１７の十分な固着を保障する。そしてハニカム体１を、外力を加えることで外被管４およびスリーブ７内に完全に入れる。特に、ハニカム体１の端面１２がスリーブ７の辺１９と面一に続いていると有利である。次の工程で、ハニカム体１と外被管４との間並びにハニカム体１とスリーブ７との間接合する。結合は、高温真空ろう付けにより実行するのが好ましい。
【００２８】
図２は、外被管４と、スリーブ７と、板状金属層２から製造したハニカム体１とから成る本発明に基づく触媒担体を端面図で示す。金属層２は、ハニカム体１が排気ガスの貫流する通路３を形成すべく、積層および／又は巻回され、少なくとも部分的に構造化された板状金属層２を備える。この金属層２は、例えば板状金属１６で形成する。その幾つかの板状金属１６は隆起部１８を有し、代表的には通常のハニカム体と同様に波形板状金属の波山を持つ。板状金属層２は、その半径方向外側に位置する終端範囲１５でスリーブ７に接している。図示の実施例では、板状金属１６はその板状金属端１７がスリーブ７に接している。特に高温真空ろう付け過程後に、全ての板状金属端１７がスリーブ７に結合していると有利である。
【００２９】
このように形成した触媒担体は、熱的負荷時のハニカム体１と外被管４の異なる熱膨張を、スリーブ７がハニカム体１の端面側終端範囲１５で外被管４の内側壁５上を滑ることより補償する。終端範囲１５とスリーブ７との接合法による結合に基づき、板状金属層２のふらつきを防止できる。この結果、特にエンジン近傍に据え付けた際に、特に荷重の印加が可能な触媒担体が生ずる。
【００３０】
図３は、微細構造２１を備えたスリーブ７を製造するための板状金属２２を示す。板状金属２２をスリーブ７状に成形することで、互いに平行に延びる微細構造２１を適当に方向付け、膨張方向を任意に定めることができる。
【００３１】
図４および図５は、互いに相異なる微細構造２１を備えたスリーブ用板状金属２２の、別個の実施例を示す。図６は、交差微細構造２２を備えたスリーブ用板状金属２２を斜視図で示す。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に基づく触媒担体のハニカム体、スリーブおよび外被管の分解斜視図。
【図２】 接合された状態にある本発明に基づく触媒担体の断面図。
【図３】 微細構造を備えた板状金属の部分正面図。
【図４】 微細構造を備えた板状金属の実施例の断面図。
【図５】 微細構造を備えた板状金属の異なった実施例の断面図。
【図６】 公差する微細構造を備えたスリーブ用板状金属の部分斜視図。
【符号の説明】
１ ハニカム体
２ 板状金属層
３ 通路
４ 外被管
５ 内側壁
６ 部分範囲
７ スリーブ
８ スリーブ長さ
９ ハニカム体の軸方向長さ
１０ スリーブの外周面
１１ ハニカム体の外側範囲
１２ ハニカム体の端面
１３ スリーブの内周面
１４ 外被管の縁
１５ ハニカム体の終端範囲
１６ 板状金属
１７ 板状金属端
１８ 隆起部
１９ スリーブの辺
２０ 円周範囲
２１ 微細構造
２２ スリーブ板状金属

Claims (12)

1. 板状金属層（２）から成るハニカム体（１）と、ハニカム体（１）を少なくとも部分的に包囲する外被管（４）と、ハニカム体（１）の軸方向長さ（９）より短い軸方向長さ（８）のスリーブ（７）とを備え、板状金属層（２）の少なくとも一部は、ハニカム体（１）が排気ガスの貫流可能な通路（３）を形成するよう構成され、スリーブ（７）の外周面（１０）が外被管（４）の内側壁（５）の部分に接触し、この接触部分を除いた少なくとも１つの軸方向部分範囲（６）だけで外被管（４）がハニカム体（１）に接合法で結合される触媒担体において、
   スリーブ（７）がハニカム体（１）の外側範囲（１１）に、その端面（１２）に近接して配置され、スリーブ（７）の内周面（１３）が、ハニカム体（１）の端面側半径方向外側に位置する板状金属層（２）の終端範囲（１５）に、この終端範囲（１５）のふらつきを防止すべく接合法で結合され、更に
   スリーブ（７）が外被管（４）と点状又は線状に接触する少なくとも１つの微細構造（２１）を有し、スリーブ（７）と外被管（４）とが小さな接触面積を有することを特徴とする触媒担体。
2. ハニカム体（１）が外被管（４）に対して伸びた際、スリーブ（７）が移動することを特徴とする請求項１記載の担体。
3. スリーブ（７）が、少なくともハニカム体（１）の端面（１２）迄延びることを特徴とする請求項１又は２記載の担体。
4. スリーブ（７）が外被管（４）の縁（１４）から突出し、スリーブ（７）の辺（１９）が、外被管（４）の縁（１４）に鍔状に接するように折り曲げられたことを特徴とする請求項１から３の１つに記載の担体。
5. 少なくとも１つの微細構造（２１）が環状に形成されたことを特徴とする請求項１から４の１つに記載の担体。
6. 複数の微細構造（２１）が交差することを特徴とする請求項１から５の１つに記載の担体。
7. 少なくとも１つの微細構造（２１）が、半径方向外方のみに外被管（４）に向かうことを特徴とする請求項１から６の１つに記載の担体。
8. 板状金属層（２）が両側板状金属端（１７）を備えた少なくとも１つの板状金属（１６）を有し、その少なくとも１つの板状金属（１６）の少なくとも片側板状金属端（１７）が、スリーブ（７）の内周面（１３）に接触する請求項１から７の１つに記載の担体において、スリーブ（７）の内周面（１３）が、それに接する少なくとも片側板状金属端（１７）に接合法で結合されたことを特徴とする担体。
9. 板状金属層が隆起部（１８）付きの構造化された少なくとも１つの板状金属（１６）を有し、その少なくとも1つの板状金属（１６）がその隆起部（１８）でスリーブ（７）の内周面（１３）に接触する請求項１から８の１つに記載の触媒担体において、スリーブ（７）の内周面（１３）が、それに接する隆起部（１８）に接合法で結合されたことを特徴とする担体。
10. スリーブ（７）とハニカム体（１）の結合が、製造上条件づけられるスリーブ（７）と外被管（４）の間の結合よりも大きな強度を有することを特徴とする請求項１から９の１つに記載の担体。
11. ハニカム体（１）が外被管（４）にろう付けされたことを特徴とする請求項１から１０の１つに記載の担体。
12. 板状金属層（２）の端面側半径方向外側に位置する終端範囲（１５）が、スリーブ（７）にその辺（１９）の近くで、スリーブ内周面（１３）の少なくとも１つの環状円周範囲（２０）においてろう付けされたことを特徴とする請求項１から１１の１つに記載の担体。

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