JP2004322095A

JP2004322095A - セラミックハニカム構造体

Info

Publication number: JP2004322095A
Application number: JP2004193532A
Authority: JP
Inventors: Hirohisa Suwabe; 博久諏訪部; Yasuhiko Otsubo; 靖彦大坪
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2004-06-30
Filing date: 2004-06-30
Publication date: 2004-11-18

Abstract

【課題】把持部材を介して金属容器に収納されるセラミックハニカム構造体であって、高温の排気ガスにより金属容器が膨張しても把持部材による把持力を低下させず、例えばエンジンの振動などによって離動せず、金属容器との摩擦による摩耗を少なくできるセラミックハニカム構造体を得る。
【解決手段】セラミックハニカム構造体の外周面に、外周面に接触する隔壁に略対応する凸部を流路方向に略一様に形成する。前記凸部と前記外周面で形成される凹凸は、円周方向に測定した表面粗さの最大高さが５〜５００μｍであることが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、把持部材を介して金属容器に収納されるセラミックハニカム構造体に関する。

地球環境の保全面から、自動車などのエンジンから排出される排気ガスの削減が求められ、これに応えるために排気ガス浄化用の触媒コンバータが用いられている。そのような触媒コンバータのひとつにセラミックハニカム触媒コンバータがあり、このセラミックハニカム触媒コンバータは、触媒を担持したセラミックハニカム構造体を排気ガスの保有する熱エネルギで加熱して触媒を活性化することにより排気ガスを浄化している。

図５は、従来のセラミックハニカム触媒コンバータ５０を排気マニホルド５４にボルト５６で連結した要部断面図である。以下、「セラミックハニカム触媒コンバータ」を略して「触媒コンバータ」という。図５で、触媒コンバータ５０は、金属容器５１、触媒を担持したコージェライトからなる低熱膨張のセラミックハニカム構造体５２、金属容器５１とセラミックハニカム構造体５２間に介装される把持部材５３などからなる。セラミックハニカム構造体５２は外周面５２ａが平滑に形成されている。また、図６は、図５のセラミックハニカム構造体５２を示し、（ａ）はその斜視図、（ｂ）は外周面５２ａを拡大した模式図である。そして、金属容器５１の内周面５１ａで圧縮状態となった把持部材５３の面圧によりセラミックハニカム構造体５２の外周面５２ａが把持され金属容器５１内に収納されている。このような構成の触媒コンバータ５２は、自動車用排気ガス浄化システムに広く使用されており、特許文献１、２、３などに開示されている。

一方、特許文献４には、前記従来構造の触媒コンバータにおいて、把持部材を排ガスの流路方向に固定する少なくとも１つの固定部材を金属容器に設けることで、触媒コンバータの高温作動時に把持部材による外周側からの把持力が低下してもセラミックハニカム構造体が金属容器内で流路方向に遊動せず、セラミックハニカム構造体の早期の摩耗や破損を防止できるとする開示がある。

実開昭５６−６７３１４号公報実開昭５５−１３００１２号公報実開昭６２−１７１６１４号公報特開平７−１２７４４３号公報

近年、排気ガスの更なる削減が求められ、これに対応してエンジンの高出力化、高温燃焼化が進められている。また触媒は冷間時には作用しないために、エンジンスタート後に触媒を早期に昇温し活性状態にするため、触媒コンバータを排気ガス温度の高いエンジン直下に配置されることも多く、触媒コンバータはより高温に曝されるようになってきている。
図５に示す従来の触媒コンバータ５０は、図６（ｂ）に示すようにセラミックハニカム構造体５２の外周面５２ａが押出成形において平滑に形成されているため、高温の排気ガスにより金属容器５１が膨張した場合、セラミックハニカム構造体５２は低熱膨張であるために、把持部材５３の圧縮状態が緩和され、セラミックハニカム構造体５２の把持力が低下する。そして、セラミックハニカム構造体５２は、略直立して配置された場合などに外周面５２ａでは拘束しきれずにエンジンの振動などによって把持部材５３から離動し、金属容器５１のコーン部５１ｃとの衝突及び摩擦により早期に破損又は摩耗するという問題点がある。

一方、特許文献４に開示される、把持部材とは別の保持部材を金属容器内に設けるには、保持部材が嵌合する金属容器の内周面を精密に加工しなければならず製造コストを上昇させる。また、高温の排気ガスにより金属容器が膨張すると、セラミックハニカム構造体は、その外周面が前述した図６と同様に平滑に形成されているため、把持部材による把持力が低下し、エンジンの振動などにより離動した場合、金属容器の端面との衝突及び摩擦により早期に破損又は摩耗するという問題点がある。

本発明の課題は、把持部材を介して金属容器に収納されるセラミックハニカム構造体であって、高温の排気ガスにより金属容器が膨張しても把持部材による把持力を低下させず、例えばエンジンの振動などによって離動せず、金属容器との衝突及び摩擦による破損又は摩耗を少なくできるセラミックハニカム構造体を得ることにある。

本発明は、把持部材を介して金属容器に収納されるセラミックハニカム構造体であって、前記セラミックハニカム構造体の外周面に、外周面に接触する隔壁に略対応する凸部が流路方向に略一様に形成されていることを特徴とする。そして、前記凸部と前記外周面で形成される凹凸は、円周方向に測定した表面粗さの最大高さが５〜５００μｍであることを特徴とする。さらに、前記凸部は、押出成形において形成されたことを特徴とする。

セラミックハニカム構造体の外周面に凹凸を形成することで外周面の表面積が増加して圧縮状態の把持部材を介して金属容器内に確実に把持される。凹凸は最大高さが５μｍ未満では把持力が少なく、一方、凹凸は最大高さが５００μｍを超えるとセラミックハニカム構造体と把持部材が接触しない部分ができて逆に把持力が低下する。なお、セラミックハニカム構造体に形成する凹凸をハニカムの流路方向に垂直各断面において略一様とすれば、ガスの流れ方によりセラミックハニカム構造体が円周方向に振動しても、金属容器内に更に確実に把持される。

そして、高温の排気ガスにより金属容器が膨張しても、把持部材によるセラミックハニカム構造体の把持力は低下せず、エンジンの振動などによってもセラミックハニカム構造体が離動せず、金属容器のコーン部などとの摩擦によるセラミックハニカム構造体の摩耗を少なくする。

本発明のセラミックハニカム構造体は、高温の排気ガスにより金属容器が膨張しても把持部材による把持力が低下せず、例えばエンジンの振動などによりセラミックハニカム構造体が離動せず、金属容器との摩擦による摩耗を少なくできる。

以下、実施の形態のひとつとして乗用車用ガソリンエンジン直下に取り付けた触媒コンバータの例を、図１乃至図４により説明する。図１は、触媒コンバータ１０を排気マニホルド１４に摩擦圧接により圧接部１６で連結した断面図である。また、図２は、図１でのセラミックハニカム構造体１２を示し、（ａ）はその斜視図、（ｂ）は外周面１２ａを拡大した模式図である。また、図３は、図２での３箇所（１２ａ−ａ、１２ａ−ｂ、１２ａ−ｃ）に形成した凹凸の一例である。また図４は（ａ）はセラミックハニカム構造体の押出成形後の拡大部分図であり、（ｂ）は押出成形用金型の要部断面図である。図１及び図２で、触媒コンバータ１０は、把持部材１３を介して触媒を担持したセラミックハニカム構造体１２が金属容器１１に収納されている。金属容器１１は高Ｓｉ球状黒鉛鋳鉄材からなり、把持部材１３を介してセラミックハニカム構造体１２を収納する内周面１１ａは中空円筒形状とし、排気管（図示せず）と連結するフランジ部１１ｄに向けてコーン部１１ｃを形成している。セラミックハニカム構造体１２は、主にＳｉＯ₂ 、Ａｌ₂Ｏ₃、ＭｇＯを含むコージェライト質セラミックスからなり、蜂の巣状の排気ガスの流通路に活性アルミナや白金などの触媒を担持している。なお、セラミックハニカム構造体１２は外周面の直径が１００ｍｍで長手方向が１００ｍｍとしている。また、把持部材１３は、耐熱性のセラミック繊維からなる。自動車などのエンジンに搭載された場合、排気ガスは排気マニホルド１４に入った後（ＩＮで示す）、コーン部１４ｃを経て、セラミックハニカム構造体に流入し、セラミックハニカム構造体１２に担持された触媒（図示せず）で浄化され、コーン部１１ｃを経て排気管に向かう（ＯＵＴで示す）。

ここで、図２に示すように、セラミックハニカム構造体１２にはその外周面１２ａに最大高さが５〜５００μｍの凹凸部１２ｂが、ハニカム流路方向に形成されている。図３に示す一例では、表面粗さ計で円周方向に１０ｍｍトレースして凹凸を測定し、この凹凸を上下方向のみ変形拡大して示している。表面粗さ計は東京精密製表面粗さ輪郭形状測定器を用い、触針の曲率半径０．０２５ｍｍ、トレーシングスピード０．１５ｍｍ／ｓで行った。凹凸部１２ｂの最大高さが（１２ａ−ａ）２８μｍ、（１２ａ−ｂ）３２μｍ、（１２ａ−ｃ）４５μｍなどとなっている。そして、この凹凸部１２ｂと、圧縮状態の把持部材１３の面圧とにより、セラミックハニカム構造体１２は確実に把持されている。この触媒コンバータ１０は、例えば９００℃を超える排気ガスにより金属容器１１が膨張しても把持部材１３によるセラミックハニカム構造体１２の把持力は低下せず、エンジンの振動などによってもセラミックハニカム構造体１２が離動せず、金属容器１１のコーン部１１ｃとの衝突及び摩擦による破損及び摩耗が少なくなる。

次に、セラミックハニカム構造体１２の成形方法について説明する。図４（ａ）はセラミックハニカム構造体１２の押出成形後の拡大部分図であり、図４（ｂ）はセラミックハニカム構造体１２の押出成形用金型２０の要部断面図である。図４（ｂ）の押出成形用金型２０は、多数の供給通路２１ａとこの供給通路２１ａから坏土を集合すると共に格子状に形成する排出通路２１ｂを持つダイ２１と、セラミックハニカム構造体１２の外周壁１２ｆを所定形状に形成するために、坏土流入量の調整をするマスキングプレート２２、坏土の排出量の調節をすると共にセラミックハニカム構造体１２の外周面１２ａの調節を行う押さえ枠２３などからなる。なお、図４において押出成形用金型２０は、下から上が押出方向（矢印で示す）であり、坏土を供給通路２１ａから排出通路２１ｂに押し出すことで、図４（ａ）の開口部１２ｄを持ち隔壁１２ｅが例えば厚さ１５０μｍで、外周壁１２ｆの厚さが例えば２５０μｍからなるセラミックハニカム構造体１２の成形体となる。そして、出口側に設けた押さえ枠２３の厚さ（ｔ）、直径（Ｄｓ）及び内径側突出量（ｗ）を調整することで、供給通路２１ａ、排出通路２１ｂを通った坏土が圧着されて成形され、外周壁１２ｆの外周面１２ａが形成される。凹凸１２ｂ形成のコントロールは、マスキングプレート２２の直径（Ｄｍ）、押さえ枠２３の厚さ（ｔ）、直径（Ｄｓ）及び内径側突出量（ｗ）によってなされ、セラミックハニカム構造体１２の成形体の後工程の焼成工程を経て、表面粗さ２０〜５００μｍＲａでハニカム流路方向に凹凸が形成される。

焼成したセラミックハニカム構造体１２に触媒を担持後、担持部材１３を介し金属容器１１に収納し、次いで金属容器１１と排気マニホルド１４とを摩擦圧接することで、図１に示す触媒コンバータ５０と排気マニホルド５４とが連結した排気系部品が得られる。そして、実施の形態のセラミックハニカム構造体１２は、高温の排気ガスにより金属容器が膨張しても把持部材１３によるセラミックハニカム構造体１２の把持力は低下せず、エンジンの振動などによりセラミックハニカム構造体１２が離動せず、金属容器１１との摩擦による摩耗が少なくなる。

実施の形態の、触媒コンバータを排気マニホルドに摩擦圧接により圧接部で連結した要部断面図である。図１でのセラミックハニカム構造体を示し、（ａ）はその斜視図、（ｂ）は外周面を拡大した模式図である。図２での３箇所（１２ａ−ａ、１２ａ−ｂ、１２ａ−ｃ）に形成した凹凸の一例であり、凹凸を上下方向のみ変形して示す拡大図である。（ａ）はセラミックハニカム構造体の押出成形後の拡大部分図であり、（ｂ）は押出成形用金型の要部断面図である。従来の触媒コンバータを排気マニホルドにボルトで連結した要部断面図である。図５でのセラミックハニカム構造体を示し、（ａ）はその斜視図、（ｂ）は外周面を拡大した模式図である。

符号の説明

１０，５０触媒コンバータ
１１，５１金属容器
１２，５２セラミックハニカム構造体
１２ａ，５２ａ外周面
１２ｂ凹凸
１２ｆ外周壁
１３，５３把持部材
１４，５４排気マニホルド
１６圧接部
２０押出成形用金型
２１ダイ
２１ａ供給通路
２１ｂ排出通路
２２マスキングプレート
２３押さえ枠
５６ボルト

Claims

把持部材を介して金属容器に収納されるセラミックハニカム構造体であって、前記セラミックハニカム構造体の外周面に、外周面に接触する隔壁に略対応する凸部が流路方向に略一様に形成されていることを特徴とするセラミックハニカム構造体。
請求項１に記載の前記凸部と前記外周面で形成される凹凸は、円周方向に測定した表面粗さの最大高さが５〜５００μｍであることを特徴とするセラミックハニカム構造体。
前記凸部は、押出成形において形成されたことを特徴とする請求項１または２に記載のセラミックハニカム構造体。