CN1315615A - 格栅结构体容纳容器及其组件 - Google Patents

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Abstract

一种表面压力分布均匀的格栅结构体容纳容器及其组件。将格栅结构体14收存到金属容器11内而构成。通过将压缩弹性材料15填充到格栅结构体14的外周部与金属容器11之间,将格栅结构体14夹持在金属容器11内,压缩弹性材料15为陶瓷纤维或含有陶瓷纤维和耐热金属纤维的耐热性低热膨胀材料,具有在实际使用的温度范围内不产生大的增减的压缩特性,且作用于格栅结构体14的外周部的压缩力没有大的变化,均匀地作用于整个格栅结构体14的外周部上。

Description

格栅结构体容纳容器及其组件
本发明涉及格栅结构体容纳容器及其组件，可应用于内燃机的排放气体净化用，除臭用催化剂载体或过滤器，或者利用催化剂作用的化学反应器，例如用于燃料电池用改性器等的催化剂用载体或过滤器。
随着近来对排气管制的强化，一方面进行改进，降低由发动机本身排出的碳化氢(HC)，一氧化碳(CO)，氧化氮(NOx)等有害物质的排放量，另一方面对现在成为主流的三元催化剂也进行了改进，利用两种效果减少有害物质的排放量。
然而，随着这种排气管制的强化所进行的改善，降低了发动机运转行进状态整体的排放物，接近于发动机刚刚起动之后所排出的有害物质的量。例如，在作为美国限制行进周期的FTP-75周期中，在发动机刚刚起动之后的140秒钟的Bsg-1模式中，其排放量相当于在整个行进周期中排放的总排放量的60～80％。这是因为，特别是在发动机刚起动之后(Bag-1A)，由于排放气体温度低，催化剂活性不够，有害物质未被净化而直接通过催化剂的缘故。
此外，在发动机刚刚起动之后，燃烧状态也不稳定，成为左右三元催化剂的净化性能的重要因素的排放气体的空燃比(A/F)，即排放气体中含氧量的比例变化的原因。人们发现，当A/F为14.7的理论空燃比时，催化剂的净化性能最有效。作为催化剂，一般采用将具有很高的表面面积的微孔结构的γ氧化铝载置于格栅结构体的一种的陶瓷蜂窝状结构体的格栅间隔壁的表面上，而将作为催化剂成分的铂，钯，铑等贵金属成分载置在这种氧化铝上。
因此，目前采用下述各种方法，即，为使发动机刚刚起动后的催化剂的温度快速上升，将催化剂的位置尽可能地靠近发动机，置于排放气体温度高的部位，或为使催化剂本身的热容量下降，减薄格栅的间隔壁，或为使快速吸收排放气体的热量并且增加催化剂与排放气体的接触面积而增加载体的格栅密度。
对于发动机方面则进行改进，尽可能使A/F快速达到理论空燃比。同时对于催化剂，为了尽可能缓和A/F的变化，与具有催化剂作用的铂，铑，钯等贵金属一起添加二氧化铈和氧化锆，贮存并脱去排放气体中的氧。这些贵金属或氧贮存物质分散存在于载置于作为载体的多孔质格栅间隔壁(棱)表面上的γ氧化铝层的微孔内。
作为催化剂用蜂窝状结构体，以具有高耐热性低热膨胀率的陶瓷的堇青石材料为主，蜂窝状结构体的格栅结构，作为汽车排放气体净化催化剂用载体，格栅形状一般为正方形，但此外也存在长方形，三角形，六角形，圆形等。此外，也有的采用把耐热性不锈钢轧制箔进行弯曲，与平板状的不锈钢箔相互组合卷绕成波纹状制成的蜂窝状结构体，在这种情况下，格栅的形状为正弦波状。
汽车排放气体净化催化剂用载体格栅间隔壁的厚度绝大部分为0.11mm～0.17mm，格栅密度为300～1200cpsi，但也有的间隔壁的厚度更薄，为0.02mm～0.10mm。在作为热交换器使用时，也存在1200cpsi以上的高格栅密度结构。格栅结构由格栅间隔壁的厚度和格栅的密度决定。格栅密度通常用cpsi表示，例如，所谓格栅密度为400cpsi指的是每平方英寸具有400个格栅，cpsi是cells per sguare inch(每平方英寸格栅数)的缩写。格栅壁厚也称之为棱厚，过去用mil(密耳)单位表示。1mil(密耳)为千分之一英寸，约0.025mm。
过去用含有蛭石的热膨胀性材料制成的垫块夹持格栅结构体并封装在金属容器内(参见美国专利第5,207,989号及美国专利第5,385,873号)，但在这种情况下，由于热膨胀使表面压缩力急剧增大，在薄壁的蜂窝状结构体等的格栅结构体中，使结构体强度下降，急剧增大的表面压缩力容易超过结构体强度(等静压强度)，增加格栅结构体被破坏的可能性。此外，热膨胀性垫块超过800℃左右时，其压缩性能开始急剧恶化，在达到1000℃左右时，表面压缩力消失，不能夹持格栅结构体。与此相反，在采用不含蛭石的非热膨胀性材料的垫块的情况下(参见美国专利第5,580,532号，专利第2798871号)，面压随温度上升的变化非常小，即使在1000℃面压也几乎不降低，可以夹持格栅结构体。
图12是将两种类型的垫块夹持在两个平板之间一面，用测力传感器在赋予压缩力的状态下在电炉内加热一面测量表面压力变化的结果。将试样切割成50×50mm并夹持在石英玻璃板之间，装在备有电炉的试验机中。在室温状态下，经由测力传感器对试样施加2kg/cm2的压力。加热电炉，将电炉内周围的温度从100℃上升到1000℃，每隔100℃测量其表面压力。热膨胀性垫块为含有蛭石的市售垫块，作为非膨胀性垫块，为市售的氧化铝纤维型的非热膨胀性垫块(商品名：マフテツク，Mufflex，保温(隔音)纤维板)。即使对于非热膨胀性垫块，在纤维材料为硅酸铝质的情况下，不会看到像膨胀性垫块那样的表面压力急剧增大，从超过800℃左右开始，表面压力下降，在1000℃左右时，残余表面压力消失。
过去，代替热膨胀性夹持材料采用非膨胀性夹持材料，进行薄壁化的蜂窝状结构体等格栅结构体的夹持，但当把作为夹持材料的垫块卷绕在格栅结构体周围之后，在封装到金属容器内的场合，在垫块的结合部容易引起错位，易于使表面压力增高。此外，在把卷绕有垫块的格栅结构体压入金属容器内时，垫块会错入到压入方向，易使皱褶靠近垫块，在该部位处也容易使表面压力增大。因此，使作用在格栅结构体外周面上的表面压缩力分布不均匀。当部分增大的表面压缩力超过格栅结构体的等静压强度时，会破坏格栅结构体。此外，由于表面压力分布不均匀，在实际使用当中，由于发动机的振动及排放气体压力等也容易使格栅结构体错位。
格栅结构体的强度由“等静压破坏强度试验”进行测定。这是一种把作为格栅结构体的载体置于橡胶制筒状容器内，用铝制板加盖，在水中进行各向同性加压压缩的试验，是一种将载体于外周面夹持在转换器盒体上的情况下模拟压缩负荷加载的试验，等静压强度按照社团法人汽车技术会发行的汽车标准JASO标准M505-87中的规定，由载体破坏时的加压压力值表示。汽车排气用催化剂转换器通常采用借助在外周面上夹持载体的封装结构。当然，载体的等静压强度在密封装置上时强度高更为理想。
通常，作为汽车排放气体净化催化剂用载体，采用陶瓷蜂窝状结构体，当格栅间隔壁的厚度低于0.100mm且开口率超过85％时，等静压强度很难保持在10kg/cm2以上。
图13表示，将利用电接触电阻的压力敏感片夹在堇青石质陶瓷蜂窝状结构体(φ106mm×150mm，格栅结构2.5mil/900cpsi)与夹持材料的垫块之间，压入不锈钢容器(409号不锈钢，板厚1.5mm)内或者卷边折缝安装时测定表面压力，与计算时所设计的表面压力进行比较所得结果的一个例子。不管在那种封装方法中，实际测得的最大表面压力值均发生在与垫块的接合部，显示出比平均表面压力高的数值。特别是在压入封装时，在垫块压入侧的前半部比后半部，总体来讲，表面压力增高。此外，在使用陷型模锻或旋转锻造法时，得到与卷边折缝方法同样的结果。垫块采用市售的氧化铝纤维型非热膨胀性垫块。设计表面压力由载体外径设计值与容器内径设计值求出的封装装置的尺寸和垫块容积密度一览表的数值进行计算求出。对于压入，在卷边折缝的任何一种方法中，实测平均表面压力与设计表面压力基本上相同，但实测最大表面压力比平均表面压力显著地高出很多。其原因是由于实际的蜂窝状结构体的外径精度引起的间隙变化与垫块接合面的折皱、垫块偏离压入造成的，垫块材料的柔软性也有影响。在压入时，设计的表面压力越高，具有平均表面压力与最大表面压力之差越大的倾向，这表明，插入盒体时，垫块偏离压入的影响大。在压入的高表面压力侧可观察到最大表面压力有饱和的倾向，而这是由于因高的表面压力使陶瓷纤维折断，弹性降低造成的。从而，施加过大的表面压力会导致陶瓷纤维的折断，这是人们所不希望的。
在实际封装时，发生表面压力高于在封装设计时所设定的设计表面压力的情况下，如果超过蜂窝状结构体的等静压强度，则有在该处使结构体破损的危险。随着蜂窝状结构体的格栅间隔壁的厚度变薄，结构体强度变低，有必要降低设计表面压力，但也有必要抑制实际封装表面压力的异常上升，尽可能缩小表面压力的变化。如果以能够使设计表面压力与实际表面压力相等作为目标进行封装设计则是十分理想的。
进而，由于蜂窝状结构体的外形精度造成的蜂窝状结构体与金属容器之间的间隔不是一个常数，以及由于把蜂窝状结构体存放到金属容器内时夹持材料的滑动造成的作用于蜂窝状结构体外周部上的压缩力不均匀，当部分有大的夹持表面压力作用时，有可能使蜂窝状结构体破损。随着蜂窝状结构体间隔壁厚度变薄，蜂窝状结构体的等静压强度降低，所以在保持夹持蜂窝状结构体所必需的最低表面压力的同时，有必要尽可能地降低夹持蜂窝状结构体的压缩表面压力，随着压缩表面压力的降低，有必要缩小表面压力的起伏，也就是使表面压力分布变得均匀。
图14表示，为了研究结构体外径的变形量对封装表面压力的影响，在故意通过对外径进行偏心加工使之变形的铝制实心圆柱体(实测平均直径φ103.0mm，最大直径φ104.3mm，最小直径φ102.3mm，长度120mm)的外周上卷绕市售的氧化铝纤维型非加热膨胀性垫块(面密度为1200g/m2)，压入不锈钢容器(内径φ110.9mm，加工公差±0.3mm)内进行封装时，在其最大间隙位置处和最小间隙位置处的设计表面压力与实测的封装表面压力的关系。可以断定，由于结构体的外径精度造成的间隙有大的变化，随之而来的表面压力也发生变化。这里，于垫块的接触面处，表面压力高达4.5kg/cm2。
从而，本发明是针对上述问题而提出的，其目的在于提供一种格栅结构体容纳容器及其组件，所述容器及其组件在催化剂转换等的实用温度范围内，对金属容器内格栅结构体的压缩表面压力变化小，而且表面压力分布均匀，可防止格栅结构体的破损。
即，根据本发明为一种将格栅结构体容纳在金属容器内构成的格栅结构体容纳容器，其特征为，通过在压缩状态下于该格栅结构体的外周部与该金属容器之间配置具有耐热性和缓冲性的压缩弹性材料，将前述格栅结构体夹持在前述金属容器内，前述具有耐热性能及缓冲性的压缩弹性材料为陶瓷纤维或含有陶瓷纤维和耐热性金属纤维的耐热性低热膨胀材料，具有在实际使用温度范围内不发生大的增减的压缩特性，并且，作用在前述格栅结构体外周部的压缩力不会产生大的变化，而且，实质上均匀地作用在前述格栅结构体的整个外周部上。
在本发明中，优选地，前述压缩弹性材料在不存在垫块及外壳等那样的接合面状态下配置在前述格栅结构体外周部与前述金属容器之间。此外，这种格栅结构体容纳容器可很好地适用于汽车排放气体的净化。
进而，在本发明中，作为具有耐热性及缓冲性的压缩弹性材料，是实际上不含蛭石的非热膨胀性材料或者仅含有少量蛭石的低热膨胀性材料，优选地为从矾土、高矾土、富铝红柱石，碳化硅、氮化硅、氧化锆、二氧化钛等构成的组群中选出的至少一种或者它们的复合物制成的陶瓷纤维为主要成分。
此外，优选地在把前述压缩弹性材料被覆在前述预先制成的格栅结构体的外周部之后，将该格栅结构体收存到前述金属容器内，通过对该格栅结构体赋予压缩表面压力，将前述格栅结构体夹持在前述金属容器内，作为将前述格栅结构体向前述金属容器内的收存，以及经由前述压缩弹性材料向前述格栅结构体施加压缩表面压力的方式可优选地采用蛤壳式、压入式，卷边折缝，陷型模锻以及旋转锻造等方法中的任何一种。
进而，优选地，在将前述格栅结构体配置到前述金属容器内的空间中之后，把前述压缩弹性材料填充到前述金属容器和前述格栅结构体之间的空隙内，通过从前述金属容器外侧施加外部压力，将前述格栅结构体夹持在前述金属容器内。
在本发明中，优选地在把低温状态的前述格栅结构体配置到高温状态的前述金属容器内的状态下填充了压缩弹性材料之后，将整体冷却到室温，对该格栅结构体赋予压缩表面压力，此外，在前述压缩弹性材料与耐热金属丝筛网同时存在的状态下，优选地，使之介于前述格栅结构体与前述金属容器之间同时对前述格栅结构体施加压缩表面压力。
进而，优选地，将前述金属丝筛网预先配置在前述格栅结构体的周围，压缩弹性材料从其周围整个涂敷覆盖该金属丝筛网，预先将前述格栅结构体与前述金属丝筛网以介于该金属容器和该格栅结构体之间的方式配置在前述金属容器内，将前述压缩弹性材料填充到该金属容器与该格栅结构体之间。
作为用于本发明的格栅结构体，为一种具有由多个间隔壁形成的多个格栅通路的陶瓷蜂窝状结构体，优选地，格栅间隔壁的厚度在0.100mm以下，开口率在85％以上。此外，在作为陶瓷蜂窝状结构体的格栅结构体的周围具有形成其外径轮廓的外壁，其外壁的厚度至少是0.05mm。进而，优选地，在前述格栅结构体外壁的外周面上被覆实质上没有压缩弹性的耐热且低热膨胀性材料。
此外，前述陶瓷蜂窝状结构体也可以优选地是由没有外壁，格栅间隔壁露到蜂窝状结构体的外周面的主体、以及也存在于露出的格栅间隔壁之间地配置到主体外周部上、含有陶瓷纤维的耐热性材料的外壳部分构成的。在这种情况下，优选地，前述外壳部分中含有陶瓷纤维的耐热性材料层具有压缩弹性，显示出把前述蜂窝状结构体夹持在金属容器内的压缩表面压力。
作为本发明中所使用的格栅结构体，除陶瓷蜂窝状结构体外，也可以是由陶瓷材料或耐热性金属材料制成的泡沫状结构体。此外，格栅结构体优选地由堇青石，矾土，富铝红柱石，氧化锆，磷酸锆，钛酸铝，碳化硅，氮化硅，二氧化钛，不锈钢类材料，镍类材料等耐热材料或者它们的复合材料构成。
在本发明中，将催化剂成分载置于前述格橱结构体上之后，把该格栅结构体收存并夹持在前述金属容器内，适合于将格栅结构体容纳容器用于催化剂转换器。此外，也可以在把前述格栅结构体收存夹持到前述金属容器内之后，将催化剂成分载置于该格栅结构体上。
此外，根据本发明，提供一种格栅结构体容纳容器组件，其特征为：将多个夹持前述格栅结构体的前述格栅结构体容纳容器沿流体流动的方向串联地配置排列在一个金属外筒内而构成，将所述多个格栅结构体容纳容器中至少前侧和后侧的格栅结构体容纳容器利用从该金属外筒的外周面上进行激光束焊接固定到该金属外筒上。
如上所述，根据本发明，可提供了一种防止压缩弹性材料的向内偏离、使之具有更均匀的压缩表面压力特性，并可将格栅结构体夹持在金属容器内的格栅结构体容器及其组件。
图1是表示把格栅结构体压入金属容器内的方法的一例中局部切除的说明图。
图2是表示将格栅结构体收存到金属容器中所使用的卷边折缝方法的一例的透视图。
图3是表示用于把格栅结构体收存到金属容器内所使用的蛤壳方法的一例的透视图。
图4是表示用于把格栅结构体收存到金属容器内所使用的陷型模锻方法的一例的剖视图。
图5是表示用于把格栅结构体收存到金属容器内所使用的陷型模锻方法的一例的剖视图。
图6是表示在金属丝筛网混合存在于压缩弹性材料中的状态下，把格栅结构体收存到金属容器内的例子的局部剖视图。
图7是表示蜂窝状结构体的例子，(a)为表示在其外周部形成外壁的例子的平面图，(b)为透视图。
图8是表示在蜂窝状结构体的外周部形成外周涂层的例子的局部放大剖视图。
图9是表示根据本发明的格栅结构体的组件的一例的剖视图。
图10是表示格栅形状的各种例子的说明图。
图11是表示实施例1～4和比较例1的封装表面压力和最大-最小变化率的曲线图。
图12是表示相对于膨胀性垫块和非膨胀性垫块的温度，表面压力变化状态的曲线图。
图13是表示封装设计表面压力与实际表面压力的曲线图。
图14是表示在最大间隙位置及最小间隙位置处的设计表面压力与实际表面压力之间关系的曲线图。
下面，根据本发明的实施例对本发明进行详细的说明，但本发明并不局限于这些实施例。
本发明在把格栅结构体收存到金属容器内构成的格栅结构容纳容器中，通过将具有耐热性和缓冲性的压缩弹性材料在压缩状态下配置在该格栅结构体外周部和金属容器内表面之间，将前述格栅结构体夹持在前述金属容器内。同时，在本发明中，作为具有耐热性及缓冲性的压缩弹性材料，采用陶瓷纤维或包含陶瓷纤维和耐热金属纤维在内的耐热性和低热膨胀性材料，所述材料具有在实际使用温度下不会产生大的增减的压缩特性，并且作用到前述格栅结构体外周部的压缩力也没有很大的变化，而且实际上均匀地作用在前述格栅结构体的整个外周部上。
如上面所述，在封装夹持时因部位不同造成的表面压力的大的变化，或者随之而来的表面压力增高的原因，归纳起来有以下三大主要因素：①在施加表面压力时，在垫块的接合面处产生皱褶，②向金属容器(盒体)内插入时垫块的偏离，③由于格栅结构体的外径的精度引起的格栅结构体与盒体之间的间隙不均均匀。
一般地，作为封装方法，可采用图1所示的压入法，图2所示的卷边折缝法，或图3所示的蛤壳法中的任何一种来进行。另外，也可采用如图4所示的应用金属塑性加工技术的经由陷型模锻(加压模)12从外部对金属容器11施加压缩力挤压金属容器11的外径尺寸的方法(陷型模锻法)来进行。进而，也可以如图5所示，利用用于塑性加工中的方法，一面旋转金属容器11一面利用加工夹具18通过塑性加工将外周面挤压进去的方法，即所谓旋转锻造法挤压金属容器的外径，赋予表面压力。
上面所述的蛤壳、压入、卷边折缝法如图1～3所示，预先把压缩弹性夹持材料(压缩弹性材料)15卷绕到格栅加工体14上，蛤壳法则如图3所示，利用一分为二的金属容器11a,11b一面施加负荷一面将其(压缩材料)夹入，在两个金属容器11a,11b的接合面(凸缘)16a,16b处焊接制成整体的容器。压入法如图1所示，利用导向件17压入整体的金属容器11内。卷边折缝法则如图2所示，通过卷绕金属板11c并进行拉伸赋予表面压力，将金属板11c的接合部焊接固定。
关于上面所述的①中的垫块的接合面的皱褶的问题，既然使用了垫块，即使采用上面所述的任何一种封装方法也都会产生同样的问题。由于垫块接合部的加工精度及其展开长度与加工体外周长之间的关系也会受到影响，所以对在接合部处产生皱褶的控制是很困难的，在接合面处所产生的表面压力异常在个体之间的差异非常大。因此，要从根本上解决问题，就不能使用具有接合面的垫块。从而，在本发明中，利用涂敷等方法将代替垫块的压缩弹性材料预先被覆在格栅加工体的外周面上，可以不形成接合面。
对于上述第②项垫块偏离的问题，如果采用蛤壳方法，则当利用金属容器(盒体)11a,11b从上下面压入时，垫块(压缩弹性材料)会产生偏离，在压入法中，在插入盒体11时，会在插入侧引起偏离。因此，偏离的部位波及很宽的范围，使整个表面压力升高。从而，作为适合施加表面压力的方法，应尽可能地不引起垫块与盒体的相对外周的偏离，在盒体内给予格栅结构体表面压力对其进行夹持。从这个观点出发，卷边折缝法，陷型模锻法，以及旋转锻造法，由于在施加表面压力之前，盒体11处于预先把用压缩弹性材料15包覆的格栅结构体14包围起来的状态，从而缩小盒体11与压缩弹性材料15的相对位置偏离，是比较理想的。在蛤壳法中，通过一面弯曲上下分割的容器(盒体)11a,11b一面将格栅结构体14夹入，尽可能地抑制盒体11a,11b与压缩弹性材料15之间的位置偏离，可以对盒体压入法进行一定程度的改善，但这会使封装装置和夹具复杂化。压入法可用作将格栅结构体配置到盒体11内的方法，而作为施加表面压力的方法，也可以采用陷型模锻阀或旋转锻造法。
关于上述第③项间隙不均匀的问题，格栅结构体一般地为挤压成形、烧结成的整体堇青石质陶瓷蜂窝状结构体，其外径的精度是从成形至烧成的工序中的变形造成的，所以与盒体相比，它具有更大的形状变形，从而引起一定的问题。当间隙不均匀时，配置在格栅结构体周围的压缩弹性材料，例如在垫块厚度一定的情况下，在间隙小的部位和大的部位，垫块的压缩量变化，因此，表面压力也随之变化。所以，在本发明中，如图7(a)(b)所示，在格栅结构体14成形、烧成后，进行外周加工，通过制成图7(b)所示的格栅结构体30，提高格栅结构体的外径精度，而且优选地通过在加工过的外周面上加上具有耐热性能的涂层而形成外壁31。借此，可提高格栅结构体的外径精度，外径尺寸比较大，适用于外径变形大的卡车·大卡车等大型柴油车排放气体净化催化剂用载体或用于柴油发动机颗粒过滤器(DPF)的蜂窝状结构体。
此外，上述第③个问题也可通过提高格栅结构体的外径精度来解决，但也可通过使垫块的厚度适应于间隙的尺寸来解决。由于使垫块的厚度与间隙相一致是不现实的，所以在本发明的一个实施例中，不使用垫块，将代替垫块的压缩弹性材料填充到盒体与格栅结构体之间的间隙内。借此，可使压缩弹性材料的厚度适应于间隙的尺寸。
在陷型模锻法中，如图4所示，除了将压缩弹性材料15填充到金属容器11和格栅结构体14之间的间隙的方法之外，可采用在作为格栅结构体的载体14的外周面上涂敷压缩弹性材料15之后，在实际上不对载体外周部施加表面压力的状态下，把载体14压入金属容器11内之后，利用陷型模12进行加压的方法。进而，也可采用预先把格栅结构体配置到圆筒状的型箱中，填充该型箱和格栅结构体之间的间隙的方法。不论采用那种方法，在涂敷或填充压缩弹性材料后，通过热处理蒸发或分解水分或有机粘结剂，然后赋予表面压力进行封装。
同样地，如图5所示，也采用在实际上不施加表面压力的状态下，将载体14设置到金属容器11内之后，一面旋转容器11一面利用加工夹具通过塑性加工将金属容器11的外周面挤入的方法，所谓通过旋转锻造方法缩小金属容器11的外径，施加表面压力的方法。陷型模锻方法和旋转锻造方法都是目前公知的塑性加工方法的应用例子。如上所述，为防止压缩弹性材料向内偏离，显示出更均匀的压缩表面压力特征，卷边折缝法，陷型模锻法或旋转锻造法更为理想。
作为用于本发明的压缩弹性材料，优选地为完全不含蛭石的非热膨胀性材料或者是只含少量蛭石的低热膨胀性材料。此外，这种压缩弹性材料优选地为含有以矾土，高矾土，富铝红柱石，碳化硅，氮化硅，二氧化锆，二氧化钛等陶瓷纤维组成的组群中选出的至少其中一种或它们的复合物构成的纤维材料的材料为主要成分。在这种主成分中，例如以干燥时的重量比相对于100分纤维材料以2～20的比例，配合少量的无机粘结剂，进而加入适当的水分，通过调整PH值，可赋予其在进行涂敷或填充作业时具有适当的可塑性及粘性。作为纤维材料，例如，具有柔性的纤维直径约2～6μm的陶瓷长纤维，对于获得压缩弹性是很适宜的。纤维直径过粗或纤维长度过短，则纤维缺乏柔性而不适用。然而，把粗的纤维混合到细的纤维中时，则可在维持柔性的同时克服表面压力，从而可预期具有抑制折断具有柔性细纤维的效果。
作为纤维材料，也可采用除上面所述材料之外的硅酸铝，但由于它实质上是玻璃态的，在高温环境下热收缩大，从这一点出发还是结晶态的纤维比较理想。在玻璃态的场合，有时会在高温环境下于纤维内析出结晶成分，使材料的质量恶化。因此，在使用玻璃态纤维的情况下，必须注意其高温加热特性。
众所周知，作为无机粘结剂，可利用水玻璃，胶态氧化硅，胶态氧化铝等。为获得更好的热稳定性，低膨胀性，例如可利用堇青石，氮化硅，SiC等陶瓷粉末。从给予结合性的观点出发，不仅可以利用无机材料，也可利用有机粘合剂。如众所周知的，使用乳化胶乳等有机粘结剂不仅可提供结合性，还可以预期在封装时具有一定程度的垫块偏离抑制效果。实质上是否拥有压缩弹性是由它含有的陶瓷纤维的特性(有否柔性)及该纤维与粘结剂的比例来决定。如从现有技术所判定的，含有陶瓷纤维的压缩弹性材料在未压缩状态下的体积密度优选地为0.05～0.30g/cm2，纤维含量的比例越高，压缩弹性能力越高，比例越低，压缩弹性能力越小。为了尽可能地抑制热膨胀性缩小压缩表面压力的变化，蛭石的含有量最好为少量，优选地为15重量％以下。但当使用温度超过800℃时，即使添加少量蛭石也没有太大的意义，是不可取的。适量地混入不锈钢类，镍类，钨，钼等耐热金属纤维有可能提高缓冲性能。在暴露于高温排放气体的情况下，会引起纤维的风蚀现象，借助金属纤维可改善耐风蚀性。
此外，在本发明中，利用在格栅结构体的外周部涂敷非压缩弹性、即实质上没有缓冲性的耐热且低热膨胀性的材料，进而，在其周围涂敷陶瓷纤维或含有陶瓷纤维与耐热性金属纤维的具有缓冲性的材料，或者将陶瓷纤维或陶瓷纤维和耐热金属纤维靠近非压缩弹性层的外侧，将纤维薄板依次叠层方法等，依次增量进行叠层配置(倾斜结构)，可获得高的缓冲特性。
在本发明中，如图7(a)所示，通过在载体14的外周部涂敷非压缩弹性材料，形成外壁31，使格栅结构体的外径精度处于良好状态，使之与金属容器(盒体)之间的间隙的变化缩小，在封装时，可缩小作用在载体上的压缩表面压力的变化。此外，由于可缩小表面压力的变化，从而可设定较低的表面压力，能够封装强度较低的格栅结构体。实质上是否拥有压缩弹性由所包含的陶瓷纤维的特性(有无柔性)以及该纤维与粘结剂的比例来决定，所以，使用柔性小的纤维，或者缩小纤维的比例，可以获得非压缩弹性材料。如现有技术(专利第2613729号)所示的那样，以陶瓷纤维及陶瓷颗粒为骨料，通过向其中添加无机粘结剂和水分，能够赋予它结合性及适当的粘度，获得可涂敷的非压缩弹性材料。
此外，在本发明中，如图6所示，在压缩弹性材料15与耐热金属丝筛网20混合存在的状态(混合存在物)，于格栅结构体14与金属容器11的内表面之间，在向格栅结构体14施加压缩表面压力的同时，通过中间加装混合存在物，利用金属丝筛网的弹性特性，可提高压缩弹性材料的缓冲性能。优选地，采用预先在格栅结构体的周围配置该金属丝筛网，再从其周围以把整个金属丝筛网覆盖的方式涂敷压缩弹性材料的方法，或者，预先以把格栅结构体与金属丝筛网夹在该金属容器和该结构体之间的方式配置在金属容器内，将压缩弹性夹持材料填充到该金属容器与该结构体之间的方法。
过去，以金属丝筛网为主的压缩弹性夹持结构也是公知的，但随着排放气体温度的上升，金属材料的弹性能力下降，由于金属丝筛网的疲劳现象，存在着夹持力下降的问题，从而，热膨胀性垫块在过去成为主流的夹持结构。
然而，如前面所述，最近，由于暴露在排放气体温度更高的环境下或有必要避免表面压力的急剧变化，已经使用非热膨胀性垫块代替热膨胀性垫块。非热膨胀性垫块具有表面压力随温度变化小的优点，但从其压缩弹性能力较小、缓冲性等观点出发，如果不管其温度特性的话，它比含有蛭石的热膨胀性垫块及金属丝筛网性能差。
因此，本发明人为了补充非热膨胀性夹持材料的低缓冲性，将其与金属筛网进行组合。即，如上所述，将金属丝筛网混合加在非热膨胀性材料层内，借助非热膨胀性夹持材料吸收由排放气体所加热的格栅结构体通过热传导和辐射传出的热量，抑制金属筛网的温度上升，防止金属筛网的疲劳现象。此外，通过提高其缓冲性，可降低为获得所需表面压力而进行的压缩量，减薄压缩弹性夹持层的厚度，可减少金属容器与格栅结构体之间的间隙。借此，可加大格栅结构体的有效排放气体的通过截面面积，可获得降低压力损失的效果。
此外，在本发明中，如图8所示，对作为格栅结构体的蜂窝状结构体14的外周面进行加工，除去存在变形部的低强度部之后，在结构体外周部涂敷非压缩弹性的耐热且低热膨胀性材料，形成外周涂层22，可加强蜂窝状结构体(载体)的外周部，提高各向同性强度。进而，在该非压缩弹性材料层的周围涂敷陶瓷纤维或含陶瓷纤维及耐热金属纤维的具有缓冲性、耐热且低热膨胀的压缩弹性材料，或者将陶瓷纤维或陶瓷纤维及金属纤维向非压缩弹性层的外侧，采用依次层叠纤维薄片等方法，通过依次增量层叠配置(倾斜)形成外周涂层部22，获得高的缓冲性。从而，通过蜂窝状结构体的外周加工和外周涂层，提高蜂窝状结构体的外径精度，由于可缩小它与金属容器的间隙，所以在可以将压缩表面压力设定得较低的同时，可避免表面压力大的增减。
此外，当借助于对蜂窝状结构体进行外周加工而去掉外壁时，将格栅结构的间隔壁剥离出来，由这些间隔壁在结构体外周面上形成凹凸。非压缩弹性材料填充到被剥离出来的格栅间隔壁之间，以覆盖这些凹凸的方式进行涂敷。当在格栅间隔壁之间存在热膨胀性材料时，由于在加热时的热膨胀将间隔壁压裂，所以有必要对于经过外周加工而没有外壁的蜂窝状结构体使用非热膨胀性材料。
如果通过向涂层蜂窝状结构体进行外周涂敷，加强结构体外周部，同时提高载体的外径精度，能够将封装表面压力设定得较低时，作为压缩弹性材料，不仅可以采用非热膨胀性材料，含有蛭石的热膨胀材料也是适用的。但是，如果避免由于热膨胀引起的表面压力急剧上升，优选地尽可能降低蛭石的含量。也可把非热膨胀压缩弹性材料直接涂敷在经过外周加工的结构体的外周部。由于结构体外径精度良好，可将其与金属容器之间的间隙设定较小，从而可增加蜂窝状结构体中排放气体的有效通过面积并可以提高其压力损失性能。
此外，也可采用在载置催化剂把格栅结构体夹持在金属容器内，然后再把催化剂载置于格栅结构体中的方法。由于载置催化剂工序中有可能将格栅结构体打出缺口，或将其破损，如果采用这种方法，可以避免这一点。
作为本发明中所用的格栅结构体，除蜂窝状结构体之外，也可采用由陶瓷材料或耐热金属材料制成泡沫状结构体。在泡沫状结构体的情况下，即使是用金属制成的，向金属容器上焊接有时也是很困难的。格栅结构体的材质除堇青石之外，可采用矾土，富铝红柱石，二氧化锆，磷酸锆，钛酸铝，碳化硅，氮化硅，二氧化钛，不锈钢类材料，镍类材料等耐热材料或它们的复合物，在结构上，格栅间隔壁薄、强度较弱的结构体的情况下也是有效的。
此外，对于挤压成形的蜂窝状结构体的格栅形状，如图10所示，有三角形，四边形，六边形和圆形，一般多采用作为四边形之一的正方形，最近也多采用六角形。表1表示格栅结构的各种例子。
                              表1
格栅结构(标称)(mil/cpsi) 格栅间隔壁厚度(中间值)mm 格栅间距中间值)mm 格栅形状 开口率％
    3.5/600     0.090     1.114 六边形格栅     85.0
    3.5/400     0.090     1.270 四边形格栅     86.3
    3.5/400     0.090     1.365 六边形格栅     87.2
    3.0/600     0.075     1.037 四边形格栅     85.7
    3.0/400     0.075     1.270     同上     88.4
    2.5/1500     0.065     0.656     同上     85.3
    2.0/1200     0.050     0.733     同上     86.8
    2.5/900     0.065     0.847     同上     85.3
    2.5/900     0.065     0.910 六边形格栅     86.3
    2.5/800     0.065     0.898 四边形格栅     86.1
    2.5/600     0.065     1.037     同上     87.9
    2.5/600     0.065     1.114 六边形格栅     88.7
    2.5/600     0.065     1.576 三角形格栅     86.3
    2.0/900     0.050     0.847 四边形格栅     88.5
    2.0/900     0.050     1.287 三角形格栅     86.9
    2.0/800     0.050     0.898 四边形格栅     89.1
    2.0/800     0.050     1.365 三角形格栅     87.6
    2.0/600     0.050     1.037 四边形格栅     90.5
    2.0/600     0.050     1.576 三角形格栅     89.3
    1.5/3000     0.035     0.464 四边形格栅     85.6
    1.5/3000     0.035     0.705 三角形格栅     83.6
    1.5/1800     0.035     0.599 四边形格栅     88.7
    1.5/1500     0.035     0.656     同上     89.7
    1.5/1200     0.035     0.733     同上     90.7
    1.5/900     0.035     0.847     同上     91.9
    1.5/900     0.035     1.287 三角形格栅     90.9
    1.5/800     0.035     0.898 四边形格栅     92.4
    1.5/600     0.035     1.037     同上     93.4
    1.5/600     0.035     1.576 三角形格栅     92.5
进而，在本发明中，如图9所示，为提供沿流体的流动方向的在一个金属外催化剂转换器等的实际使用温度范围内，相对于金属容器内的格栅结构体压缩表面压力变化小、且表面压力分布均匀、可防止格栅结构体破损的格栅结构体容纳容器及其组件，将多个夹持格栅结构体14的格栅结构体容纳容器25串联地配置在筒27内，将所述多个格栅结构体容纳容器25中至少前侧和后侧格栅结构体容纳容器25a、25b用激光束焊接在金属外筒27的外周面规定的部位28处，从而固定在外筒27上，可形成催化剂转换器。
由于激光束焊接会将能量集中于局部，可抑制热量对焊接部周围的影响，可避免压缩弹性材料的热损伤。
以下，对本发明的实施例加以说明。
实施例1～4，比较例1
封装时表面压力的测定及封装时结构体耐久性测定。
封装时设计表面压力均采用相同的3kg/cm2设计条件，以及采用表2所示的压缩弹性材料、格栅结构体，利用现有技术的封装(比较例)和本发明的封装(实施例1～4)的比较结果示于表2和图11。
在进行封装前，利用等静压试验装置在10kg/cm2或5kg/cm2的压力下，对所有蜂窝状结构体进行筛选，将没有异常的制品供封装试验用。
在本发明的实施例3和4中，与另外的作为格栅结构体的蜂窝状结构体也施行同样的试验，均未发现格栅结构体的破损。本发明，特别是在实施例3、4中，设计表面压力基本上和实装表面压力大致相同，断定可以如所设计的那样进行封装。此外，在低等静压强度的蜂窝状结构体的情况下，与此相应，设计低的设计表面压力，可以在不产生破损的情况下进行封装。
                                 表2
压缩性材料 格栅结构体 封装 封装试验结果
比较例1 氧化铝纤维型非热膨胀性垫块 蛭石质外壁整体挤压成形蜂窝状结构体尺寸：φ106×150格栅结构：2.5mil/900cpsi等静压强度：10kg/cm2筛选 压入 在垫块结合面部位，蜂窝状结构体发生破损
实施例1 涂敷含有氧化铝纤维的压缩性材料 同上 同上 蜂窝状结构体不发生破损
实施例2 同上 同上 卷边折缝 同上
实施例3 填充含有氧化铝纤维的压缩性材料 蛭石外壁整体挤压成形蜂窝状结构体尺寸：同上格栅结构：1.5mil/900cpsi等静压强度：5kg/cm2筛选 陷型模锻 同上
实施例4 涂敷含有氧化铝纤维的压缩性材料 蛭石质挤压成形后外周层结构体尺寸：同上格栅结构：同上等静压强度同上 卷边折缝 同上
实施例5～6，比较例2
其次，进行了冲压试验和加热冷却振动试验。
作为现有技术例子的比较例2，在按干燥时质量比，氧化铝纤维45％，无机粘合剂15％，蛭石40％的混合物中添加水分进行混练，将这样制成的热膨胀材料涂敷在蜂窝状结构体外周面上，干燥后，利用卷边折缝法制成试样，进行冲压试验。将试验机安装到电炉内，把封装好的试样置于电炉内的夹具中，于保持在规定温度的状态下，测定经由硅石棒对蜂窝状结构体进行冲压时的负荷。如果冲压负荷在5kgf以上时，则判断为良好。试样冲压试验前，利用丙烷燃烧试验机，以950℃×10分钟-100℃×10分钟为一个周期进行加热冷却100次循环。同样地，对根据本发明的封装试料(实施例5～6)进行试验，其比较结果示于表3。在以900℃×5分钟-100℃×5分钟作为一个周期进行10次加热冷却循环的条件下，在200Hz的固定条件下施加振动进行加热冷却振动试验。在试验后，判断技术容器内的蜂窝状结构体(φ106×150)的位置偏离量是否在容许范围内。
                               表3
压缩弹性材料 格栅结构体 封装方法 冲压试验结果 评价
室温 950℃
比较例2 涂敷热膨胀性材料(含有多量蛭石) 堇青石质外壁挤压成形蜂窝状结构体尺寸：φ55×45格栅结构：4.5mil/600cpsi 卷边折缝 不好 不好(负重0) 否
实施例5 填充含氧化铝纤维非热膨胀性材料 堇青石质外壁挤压成形蜂窝状结构体尺寸：φ55×45格栅结构：2.5mil/900cpsi 陷型膜锻 良好 良好 合格
实施例6 同上 堇青石质挤压成形后外周层结构体尺寸：同上格栅结构：2.0mil/900cpsi 同上 良好 良好 合格
加热冷却振动试验结果
温度条件 振动加速度 比较例2 实施例5 实施例6
900℃×5分100℃×5分10个周期 20G 良好 良好 良好
30G 良好 良好 良好
40G 不好 良好 良好
评价 否 合格 合格

Claims (22)

1、一种格栅结构体容纳容器，是将格栅结构体收存到金属容器内构成的，其特征为，通过在压缩状态下于该格栅结构体外周部与该金属容器之间配置具有均匀耐热性及缓冲性的压缩弹性材料，把前述格栅结构体夹持在前述金属容器内，
前述具有耐热性及缓冲性的压缩弹性材料为陶瓷纤维或含有陶瓷纤维和耐热性金属纤维的耐热性低热膨胀性材料，具有在实际使用温度范围内不发生大的增减的压缩特性，且作用在前述格栅结构体外周部的压缩力不发生大的变化，而且，实际上均匀地作用在前述格栅结构体的整个外周部上。
2、如权利要求1所述的格栅结构体容纳容器，前述压缩弹性材料在没有接合面的状态下配置在前述格栅结构体外周部与前述金属容器之间。
3、如权利要求1或2所述的格栅结构体容纳容器，用于汽车排放气体的净化。
4、如权利要求1至3中任一项所述的格栅结构体容纳容器，其特征为，前述具有耐热性及缓冲性压缩弹性材料为实际上不含蛭石的非热膨胀材料或含有少量蛭石的低热膨胀材料，由从矾土，高矾土，富铝红柱石，碳化硅，氮化硅，二氧化锆，二氧化钛所构成的组群中选出的至少一种或它们的复合物构成的陶瓷纤维为主要成分。
5、如权利要求1至4中任一项所述的格栅结构体容纳容器，其特征为，在预先把前述压缩弹性材料被覆在前述格栅结构体的外周部之后，把该格栅结构体收存在前述金属容器内，通过赋予该格栅结构体压缩表面压力，把前述格栅结构体夹持在前述金属容器内。
6、如权利要求1至5中任一项所述的格栅结构体容纳容器，把前述格栅结构收存在前述金属容器内、以及经由前述压缩弹性材料向前述格栅结构体赋予压缩表面压力的方式为蛤壳、压入、卷边折缝、陷型模锻及旋转锻造法中任何一种方法。
7、如权利要求1至6中任一项所述的格栅结构体容纳容器，其特征为，将前述格栅结构体配置到前述金属容器内的空间中之后，把前述压缩弹性材料填充到前述金属容器与前述格栅结构体之间的空隙内，通过从前述金属容器外侧施加外部压力，将前述格栅结构体夹持在前述金属容器内。
8、如权利要求1至5中任一项所述的格栅结构体容纳容器，经由前述压缩弹性材料向前述格栅结构体赋予压缩表面压力的方式采用陷型模锻或旋转锻造法中任何一种。
9、如权利要求1至6中任一项所述的格栅结构体容纳容器，在把处于低温状态的前述格栅结构体配置到处于高温状态的前述金属容器内的状态下填充了压缩弹性材料后，整体冷却到室温，向该格栅结构体赋予压缩表面压力。
10、如权利要求1至9中任一项所述的格栅结构体容纳容器，其特征为，在前述压缩弹性材料及耐热金属丝筛网混合存在的状态下，一面赋予前述格栅结构体压缩表面压力一面使之介于前述格栅结构体与前述金属容器之间。
11、如权利要求10所述的格栅结构体容纳容器，其特征为，前述金属丝筛网预先配置在前述格栅结构体的周围，从其周围以把金属丝筛网全部覆盖起来的方式涂敷压缩弹性材料。
12、如权利要求10所述的格栅结构体容纳容器，其特征为，预先把前述格栅结构体与前述金属筛网以加装在所述金属容器和所述格栅结构体之间的方式配置在前述金属容器内，把前述压缩弹性材料填充到该金属容器与该格栅结构体之间。
13、如权利要求1至12中任一项所述的格栅结构体容纳容器，其特征为，前述格栅结构体为具有由多个间隔壁形成的多个格栅通路的陶瓷蜂窝状结构体，格栅间隔壁的厚度在0.100mm以下，开口率为85％以上。
14、如权利要求13所述的格栅结构体容纳容器，其特征为，它具有在前述陶瓷蜂窝状结构体周围形成前述格栅结构体外径轮廓的外壁，外壁的厚度至少为0.05mm。
15、如权利要求14所述的格栅结构体容纳容器，其特征为，在前述格栅结构体外壁的外周面上被覆实际上没有压缩弹性、具有耐热性和低热膨胀性的材料。
16、如权利要求13至15中任一项所述的格栅结构体容纳容器，其特征为，前述陶瓷蜂窝状结构体是由没有外壁、格栅间隔壁露出蜂窝状结构体外周面的主体，以及同时也存在于露出的间隔壁之间地配置在主体外周部上、含有陶瓷纤维的耐热材料的外壳部分构成的。
17、如权利要求16所述的格栅间隔体容纳容器，前述含有外壳部分的陶瓷纤维耐热材料层具有压缩弹性，并显示出把前述蜂窝状结构体夹持在金属金属容器内的压缩表面压力。
18、如权利要求1至12中任一项所述的格栅结构体容纳容器，前述格栅结构体为由陶瓷材料或耐热金属材料构成的泡沫状结构体。
19、如权利要求1至18中任一项所述的格栅结构体容纳容器，其特征为，前述格栅结构体由堇青石，矾土，富铝红柱石，二氧化锆，磷酸锆，钛酸铝，碳化硅，氮化硅，二氧化钛，不锈钢类材料，镍类材料等耐热材料或它们的复合物构成。
20、如权利要求1至19中任一项所述的格栅结构体容纳容器，在把催化剂成分载置于前述格栅结构体上之后，把该格栅结构体收存、夹持到前述金属容器内。
21、如权利要求1至19中任一项所述的格栅结构体容纳容器，在把前述格栅结构体收存、夹持到前述金属容器内之后，把催化剂成分载置于该格栅结构体上。
22、一种格栅结构体容纳容器组件，其特征为，将多个夹持前述格栅结构体的如权利要求1至21中任一项所述的格栅结构体容纳容器沿流体流动方向串联地配置排列在一个金属外筒内而构成，将该多个格栅结构体容纳容器中至少前侧和后侧的格栅结构体容纳容器，从该金属外筒的外周面用激光束焊接固定到该金属外筒上。
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