JP2005349356A - 触媒装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 触媒担体１と触媒マット３との面圧を過度に高くすることなく、触媒マット３を介してストッパ４をケーシング２に保持することができ、かつ、製造が容易な触媒装置を提供する。
【解決手段】 円柱状の触媒担体１とケーシング２との間に触媒マット３を介装する。中空状のストッパ４を触媒担体１と通気方向Ａに隣接して直列に配置する。縮径加工によりケーシング２を成形する際に、ストッパ４の外周に位置するケーシング２の縮径部２Ｂを縮径して、この縮径部２Ｂとストッパ４とにより、触媒マット３の中で触媒担体１より張り出したマット延長部３Ｂを圧縮し、この圧縮されたマット延長部３Ｂを介してストッパ４をケーシング２に保持させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、触媒を担持する触媒担体をケーシング内に安定して保持する触媒装置及びその製造方法の改良に関する。

特許文献１や特許文献２に開示されているように、自動車の排気ガス中に含まれるＣＯやＨＣ等の有害成分を低減するために、エンジンの排気系には触媒装置が配設される。この触媒装置は、典型的には、排気管に接続されるケーシング内にハニカム状の触媒担体が保持され、この触媒担体の表面に有害成分を浄化する白金等の触媒がコーティングされている。特許文献１では、触媒担体の外周を金網製の緩衝材（マット）で覆い、これら触媒担体及び緩衝材の通気方向前後両端部とケーシングとの間にワッシャを介装して、触媒担体をケーシングに保持している。
実開平５−４７３３３号公報 特開平９−２７３４１７号公報

近年、厳しい排気ガス規制に対応するために、セル密度が９００セル／ｉｎｃｈ^２以上で、壁厚が５０μｍ以下といった高密度薄壁の触媒担体が実用化されている。このような高密度薄壁の触媒担体では、圧壊強度が必然的に低くなるので、触媒担体を安定して保持することが難しく、上記特許文献１のように金網製の緩衝材とワッシャとを用いて触媒担体を保持する場合には、触媒担体に作用する面圧が過度に高くなって圧壊強度を上回るおそれがある。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明に係る触媒装置は、触媒を有する触媒担体と、この触媒担体を収容するケーシングと、これら触媒担体の外周とケーシングの内周との間に介装される触媒マットと、を有している。更に、上記触媒担体と通気方向に隣接して直列に配置された中空状のストッパを有し、このストッパが、上記触媒担体の外周面と略同一形状のストッパ外周面と、上記触媒担体の通気方向の移動を規制するように、上記触媒担体の端面に対向する触媒対向面と、を有している。そして、上記触媒マットが、上記触媒担体よりも通気方向に張り出したマット延長部を有し、このマット延長部が、上記ストッパ外周面とケーシングの内周面との間に圧縮状態で狭持されており、このマット延長部を介して上記ストッパがケーシングに保持されている。

触媒担体の外周を覆う触媒マットと触媒対向面を備えたストッパとを利用した簡素な構成により、触媒担体を安定してケーシング内部に保持することができる。ストッパは、ケーシングとの間に圧縮状態で狭持されるマット延長部を介してケーシングに保持される。ストッパを安定的に保持するためには、ストッパとマット延長部との間に強い面圧を作用させる必要があるが、マット延長部は触媒担体よりも通気方向に張り出しているので、マットの中でマット延長部の部分にのみ局部的に強い面圧を作用させることにより、この強い面圧が触媒担体に作用することはない。従って、ＤＰＦ（ディーゼル・パティキュレート・フィルタ）のような高圧損で圧壊強度が低い高密度薄壁の触媒担体であっても、その機能を損ねることなく良好に保持することができる。

ケーシングは、一般的に、金属パイプに対して必要部位をスピニング加工により縮径することにより成形される。従って、金属パイプの内部に、触媒担体、ストッパ及びマットを挿入した状態で、スピニング加工により金属パイプのうちのマット延長部に接触する部位を縮径することにより、上述したようにマット延長部とストッパとの間に強い面圧を作用させて、ストッパを保持させることができる。このように、ケーシングの製造時に一般的に行われるスピニング加工を利用して、触媒担体、ストッパ及び触媒マットをケーシング内に安定して保持された状態に組み込むことができ、その製造が極めて容易である。

以下、図面を参照して本発明の好ましい実施の形態について説明する。

図１は、本発明の第１実施例に係る触媒装置を示す断面対応図であり、図２は、図１の符号ＩＩ部の拡大図である。この触媒装置は、周知のように、車両の排気系に配設される。この触媒装置は、触媒を担持した触媒担体１と、この触媒担体１を収容するケーシング２と、このケーシング２の内周面と触媒担体１の外周面との間に介装される触媒マット３と、触媒担体１と通気方向Ａに隣接して直列に配置される２個のストッパ４と、により大略構成されている。

触媒担体１は、周知のように、セラミックをハニカム状に形成したハニカム担体の表面に白金等の触媒を付着させたものであり、通気方向Ａに沿って略均一な外周形状をなし、典型的には本実施例のように通気方向Ａを軸方向とする円柱状をなしている。好ましくは、触媒担体１として、セル密度が９００セル／ｉｎｃｈ^２以上で、壁厚が５０μｍ以下であり、触媒浄化能力の高い高密度薄壁の触媒担体が用いられる。

ケーシング２は、後述するように筒状の金属パイプ１４（図３参照）をスピニング加工により部分的に縮径することにより成形されるものであって、触媒担体１の外周を覆う円筒部２Ａを主体としており、かつ、両端の開口部２Ｄには排気パイプ（図示省略）を固定するためのフランジ５が取り付けられている。開口部２Ｄの内径は円筒部２Ａの内径よりも小さく、開口部２Ｄと円筒部２Ａとの間には傾斜部２Ｃが設けられている。傾斜部２Ｃは、通気性を阻害することのないように、内径の異なる円筒部２Ａと開口部２Ｄとを滑らかに接続し、つまり円筒部２Ａから開口部２Ｄへ向けて徐々に縮径された円錐状をなしている。

ストッパ４は、強度に優れた金属製の中空形状・環状をなし、主として触媒担体１が不用意に移動することのないように支持する機能を有している。ストッパ４の外周面４Ａは、触媒担体１の外周面と略同一の形状・外径となっており、通気方向Ａに沿って触媒担体１の外周面と実質的に段差なく連続する形となっている。触媒担体１に対向するストッパ４の触媒対向面４Ｂは、触媒担体１の通気方向Ａの移動を規制するように、つまり触媒担体１の通気方向Ａの端面１Ａを受けるように、触媒担体１の端面１Ａに突き当て可能に対向している。なお、この実施例では触媒対向面４Ｂが担体端面１Ａと直接的に接触可能な構成となっているが、図６にも示すように、触媒対向面４Ｂと担体端面１Ａとの間にマット３の一部が介装されており、触媒対向面４Ｂが間接的に担体端面１Ａを受ける構成であっても良い。

触媒マット３は、アルミナファイバーを用いた膨張率の低い無膨張マットであって、触媒担体１よりも通気方向Ａに張り出したマット延長部３Ｂを有している。このマット延長部３Ｂが、ストッパ４の外周面４Ａとケーシング２の内周面との間に圧縮状態で狭持されている。つまり、マット延長部３Ｂは触媒マット３の中で局部的に強く圧縮されており、触媒担体１とケーシング２とに狭持されるマット本体部３Ａに比して発生面圧が著しく高い。従って、このマット延長部３Ｂを介してストッパ４をケーシング２に安定して保持することができる。

ケーシング２の中で、円筒部２Ａと傾斜部２Ｃとの接続部において、マット延長部３Ｂに接触する部分、すなわち、ストッパ４とともにマット延長部３Ｂを圧縮状態で狭持する縮径部２Ｂは、触媒担体１の外方に位置する円筒部２Ａに比して、外径が所定量だけ小さく縮径されている。従って、マット延長部３Ｂが介装されるストッパ４と縮径部２Ｂとの隙間（ギャップ）が、触媒担体１とケーシング２の円筒部２Ａとの隙間よりも小さくなっており、これによって上述したようにマット延長部３Ｂが局部的に強く圧縮されている。

ストッパ４を安定的に保持するためには、ストッパ４とマット延長部３Ｂとの間に強い面圧を作用させる必要があるが、マット延長部３Ｂは触媒担体１よりも通気方向Ａに張り出しているので、マット３の中で、マット延長部３Ｂの部分にのみ局部的に強い面圧を作用させ、触媒担体１とマット本体部３Ａとの間の面圧を十分に小さく抑制することができる。従って、圧壊強度の低い高密度薄壁の触媒担体１を採用することができる。このように、触媒マット３とストッパ４とを利用した簡素な構成により、高密度薄壁の触媒担体１を安定してケーシング２内部に保持することができる。

図３は、この触媒装置を製造する手順を示している。先ず第１に、触媒担体１とストッパ４とを同軸上に配置した状態で、これら触媒担体１とストッパ４の外周を覆うように均一な厚さの触媒マット３を巻き付けて、中間組立体１１を得る。なお、触媒マット３を巻き付けた状態で仮保持できるように、例えば触媒マット３には互いに嵌合する凸部１２と凹部１３とが形成されている。第２に、この中間組立体１１を、ケーシング２に成形されることとなる円筒状の金属パイプ１４に挿入・圧入する。この挿入（圧入）作業を容易に行い得るように、好ましくは、上述したようにストッパ４の外径を触媒担体１の外径と同一とするか、あるいはストッパ４の外径を触媒担体１の外径よりも僅かに（例えば、２ｍｍ以下の範囲で）小さくする。第３に、金属パイプ１４に対してスピニング加工を施して、上記の縮径部２Ｂ、傾斜部２Ｃ及び開口部２Ｄを成形して、ケーシング２を得る。このケーシング２の開口部２Ｄにフランジ５が接合される（図１参照）。

このように、金属パイプ１４の内部に、触媒担体１及びストッパ４の外周にマット３を巻き付けた中間組立体１１を挿入した状態で、金属パイプ１４にスピニング工法等による縮径加工を施して、傾斜部２Ｃ及び開口部２Ｄとともに、ストッパ４の外周に位置する縮径部２Ｂを縮径することにより、縮径部２Ｂとストッパ４の間のマット延長部３Ｂを強く圧縮し、このマット延長部３Ｂとストッパ４との間に強い面圧を作用させて、ストッパ４を安定して保持させることができる。このように、ケーシング２を成形する際に一般的に行われるスピニング加工を利用して、触媒担体１、ストッパ４及び触媒マット３をケーシング２内に安定して保持された状態に組み込むことができ、その製造が極めて容易である。

また、このようにストッパ４とケーシング２とにより触媒マット３が強く狭持される一方で、触媒マット３と触媒担体１との間の発生面圧を低く抑制できることから、触媒マット３のばらつきが緩和され、触媒マットとして例えば面比重が１２００ｇ／ｍ^２以下の安価なものを用いることができ、コスト低減が可能である。

なお、本実施例では図２に示すようにマット延長部３Ｂの発生面圧を均一化するように縮径部２Ｂを円筒部２Ａと略平行に縮径しているが、これに限らず、例えば図６にも示すように縮径部２Ｂの一部又は全てが傾斜部２Ｃと同じように傾斜していても良く、つまり傾斜部２Ｃの一部が縮径部２Ｂの一部を兼用するものであっても良い。

図４は、本発明の第２実施例に係るストッパ４Ｅを示している。このストッパ４Ｅは、外周面４Ａが形成された外周片部１５から略直角に折曲する触媒対向片部１６に触媒対向面４Ｂが形成されており、これら外周片部１５と触媒対向片部１６とにより、強度的に優れた断面略Ｌ字状をなしている。この第２実施例のストッパ４Ｅは、触媒対向面４Ｂの寸法を十分に長く確保できるので、触媒担体１の通気方向Ａの不用意な移動をより確実に回避することができ、触媒担体１の保持性が向上する。一方、第１実施例のストッパ４は、第２実施例のストッパ４Ｅに比して、触媒対向面４Ｂが短いため、触媒担体１の通路面積をより大きく確保することができる。従って、触媒対向面４Ｂによる触媒担体１のガス流路の閉塞面積が抑制され、排気ガスの転換効率が向上し、かつ、背圧低減が可能となる。

なお、ストッパ４の強度を更に高めるために、触媒対向片部１６から略直角に折曲して外周片部１５に対向する内周片部１７を設けて、ストッパ４を断面略Ｊ字状又は略Ｕ字状としても良い。

図５は、本発明の第３実施例に係る触媒装置を示している。この第３実施例では、ストッパ４Ｆが通気方向Ａの下流側・後端側の一箇所にのみ配置されており、触媒担体１の通気方向上流側・前端側の近傍部分１８にはストッパが設けられていない。このように、触媒担体１の上流側のストッパを省略することにより、ケーシング２の全長を短縮してコンパクト化を図ることができるとともに、部品点数が少なくてすみ、軽量化及び低コスト化等の効果を得ることができる。

排気ガスは通気方向Ａに流れることから、触媒担体１には基本的には下流側（図５の右側）へ移動しようとする力が作用し、このような力に対して下流側のストッパ４Ｆにより触媒担体１を安定して保持することが可能である。本実施例とは逆に、下流側のストッパ４Ｆを省略して触媒担体１の上流側の近傍部分１８にストッパを設けた場合、触媒担体１を安定して保持することは困難である。

図６は、本発明の第４実施例に係る触媒装置を示している。この第４実施例では、触媒担体１の外周を覆う触媒マットを、触媒担体１の通気方向Ａの上流側端部の部分３Ｃと下流側端部の部分３Ｄの２箇所にのみ設けている。つまり、触媒担体１の外周全体を触媒マットで覆うのではなく、上記２つの触媒マット３Ｃ，３Ｄの間に、触媒マットを省略した区間３Ｅを設けており、触媒マットの大きさ（ボリューム）を大幅に軽減して、軽量化や低コスト化が図られている。特に、アルミナファイバーを利用した無膨張マットは、圧壊強度の低い高密度薄型の触媒担体１に適している反面、極めて高価であるため、上述したマットの省略による低コスト化の効果は非常に大きい。

また、ケーシング２のなかで、上記触媒マットのない区間３Ｅに対応する部分２Ｄを局所的に縮径しており、これによって、触媒装置が更にコンパクトなものとなる。

更に、触媒マット３Ｃ，３Ｄを立体成型としてストッパ４と一体化することにより、上述したような中間組立体１１を金属パイプに挿入・圧入する作業が不要又は容易化され、またケーシング２の形状の自由度も向上する。

以上の説明より把握し得る特徴的な技術思想について、その作用・効果とともに説明する。但し、本発明は、参照符号を用いて図示・説明された構成に限定されるものではない。

（１）触媒を有する触媒担体１と、この触媒担体１を収容するケーシング２と、これら触媒担体１の外周面とケーシング２の内周面との間に介装される触媒マット３と、を有する触媒装置において、上記触媒担体１と通気方向Ａに隣接して直列に配置された中空状のストッパ４を有し、このストッパ４が、上記触媒担体１の外周面と略同一形状のストッパ外周面４Ａと、上記触媒担体１の通気方向の移動を規制するように、上記触媒担体１の端面に対向する触媒対向面４Ｂと、を有し、かつ、上記触媒マット３が、上記触媒担体１よりも通気方向Ａに張り出したマット延長部２Ｂを有し、このマット延長部２Ｂが、上記ストッパ外周面４Ａとケーシング２の内周面との間に圧縮状態で狭持されており、このマット延長部２Ｂを介して上記ストッパ４がケーシング２に保持されている。

マット延長部３Ｂは触媒担体１よりも通気方向Ａに張り出しているので、ストッパ４とマット延長部３Ｂとの間に、ストッパ４を安定的に保持し得る十分に強い面圧を局部的に作用させつつ、触媒担体１とマット３との面圧を低く抑制することができ、特に圧壊強度が低い高密度薄壁の触媒担体１であっても、触媒マット３とストッパ４とを利用した簡素な構成により、この触媒担体１を安定してケーシング２内部に保持することができる。

（２）好ましくは、上記ケーシング２の中で、ストッパ４の外周に位置する縮径部２Ｂが縮径加工されることによって、上記マット延長部３Ｂが上記縮径部２Ｂの内周面とストッパ外周面４Ａとの間に圧縮状態で狭持される。

つまり、周知のスピニング工法のような縮径加工により金属パイプからケーシング２を成形する際に、あわせてストッパ４に強い面圧を作用させて、このストッパ４をケーシング２内に安定して保持された状態で組み込むことができる。このため、製造工程が簡素で、生産性に優れており、コスト的にも有利である。

（３）上記ストッパ４の外径が上記触媒担体１の外径以下であれば、上述したように、触媒担体１とストッパ４の外周に触媒マット３を巻き付けた中間組立体１１を金属パイプ１４に挿入する際に（図３参照）、その挿入作業が容易となる。

（４）上記ストッパ４Ｅは、例えば図４に示すように、上記ストッパ外周面４Ａが形成された外周片部１５から略直角に折曲する触媒対向片部１６に上記触媒対向面４Ｂが形成された断面略Ｌ字状をなしている。この場合、断面略Ｌ字状をなす構造であるために強度的に優れており、かつ、触媒対向片部１６により触媒担体１が通気方向Ａに不用意に動くことを確実に防止することができる。

（５）図５に示すように、ストッパ４Ｆを、上記触媒担体１の通気方向Ａ下流側にのみ設けても良い。つまり、下流側のストッパ４Ｆにより触媒担体１の下流側への不用意な移動を阻止できるので、触媒マット３により触媒担体１の振動や上流側への不用意な移動に対する保持力を確保できれば、触媒担体１の通気方向上流側の近傍部分１８にストッパを設けなくても良い。この場合、上流側のストッパを省略した分、部品点数が少なくてすむので、製造が容易でコスト的に有利であり、かつ、触媒装置の通気方向Ａの寸法を抑制してコンパクト化を図ることができる。

（６）図６に示すように、上記触媒担体１の外周に触媒マット３のない区間３Ｅを設けても良い。この場合、触媒マットの使用量を低減して、大幅なコストの低減が可能となる。

（７）隣接して直列に配置された触媒担体１と中空状のストッパ４の外周に触媒マット３を巻き付けて中間組立体１１を得る工程と、この中間組立体１１を金属パイプ１４の中に挿入する工程と、この金属パイプ１４を縮径加工して、上記触媒担体１、ストッパ４及び触媒マット３を収容するケーシング２を成形する縮径工程と、を有する。この縮径工程では、少なくとも上記ストッパ４の外周に位置する縮径部２Ｂを縮径して、この縮径部２Ｂとストッパ４とにより上記触媒マット３のマット延長部３Ｂを圧縮し、この圧縮されたマット延長部３Ｂを介して上記ストッパ４をケーシング２に保持させる。

このように、金属パイプ１４の内部に、触媒担体１及びストッパ４の外周にマット３を巻き付けた中間組立体１１を挿入した状態で、スピニング等の縮径加工を金属パイプ１４に施してケーシング２を成形する際に、ストッパ４の外周に位置する縮径部２Ｂを縮径することにより、縮径部２Ｂとストッパ４の間でマット延長部３Ｂを強く圧縮し、このマット延長部３Ｂとストッパ４との間に強い面圧を作用させて、ストッパ４を安定して保持させることができる。このように、ケーシング２を成形する際に一般的に行われる縮径工程を利用して、触媒担体１、ストッパ４及び触媒マット３をケーシング２内に安定して保持された状態に組み込むことができ、その製造が極めて容易である。

（８）より好ましくは、上記ケーシング２が、上記触媒担体１の外周に位置する円筒部２Ａと、この円筒部２Ａよりも内径が小さい開口部２Ｄと、この円筒部２Ａと開口部２Ｄとの間に設けられ、円筒部２Ａから開口部２Ｄへ向けて徐々に縮径された傾斜部２Ｃと、を含んでおり、上記縮径工程では、上記傾斜部２Ｃを成形することで上記縮径部２Ｂを成形する。つまり、スピニング工法等により傾斜部２Ｃを縮径加工する際に、あわせて縮径部２Ｂの縮径を行うことができ、実質的に工程を追加することなく、縮径部２Ｂを縮径してストッパ４を保持状態でケーシング２内に組み込むことができ、その製造が極めて容易である。

本発明の第１実施例に係る触媒装置を簡略的に示す断面図。 図１の符号ＩＩの部位の拡大図。 上記触媒装置の製造手順を示す説明図。 本発明の第２実施例に係るストッパの形状を示す断面図。 本発明の第３実施例に係る触媒装置を示す断面図。 本発明の第４実施例に係る触媒装置を示す断面図。

符号の説明

１…触媒担体
２…ケーシング
２Ｂ…縮径部
３…触媒マット
３Ｂ…マット延長部
４…ストッパ

Claims (8)

1. 触媒を有する触媒担体と、この触媒担体を収容するケーシングと、これら触媒担体の外周面とケーシングの内周面との間に介装される触媒マットと、を有する触媒装置において、
   上記触媒担体と通気方向に隣接して直列に配置された中空状のストッパを有し、このストッパが、上記触媒担体の外周面と略同一形状のストッパ外周面と、上記触媒担体の通気方向の移動を規制するように、上記触媒担体の端面に対向する触媒対向面と、を有し、
   かつ、上記触媒マットが、上記触媒担体よりも通気方向に張り出したマット延長部を有し、このマット延長部が、上記ストッパ外周面とケーシングの内周面との間に圧縮状態で狭持されており、このマット延長部を介して上記ストッパがケーシングに保持されていることを特徴とする触媒装置。
2. 上記ケーシングの中で、ストッパの外周に位置する縮径部が縮径加工されることによって、上記マット延長部が上記縮径部の内周面とストッパ外周面との間に圧縮状態で狭持されることを特徴とする請求項１に記載の触媒装置。
3. 上記ストッパの外径が、上記触媒担体の外径以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の触媒装置。
4. 上記ストッパは、上記ストッパ外周面が形成された外周片部から略直角に折曲する触媒対向片部に上記触媒対向面が形成された断面略Ｌ字状をなしていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の触媒装置。
5. 上記ストッパが、上記触媒担体の通気方向下流側にのみ設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の触媒装置。
6. 上記触媒担体の外周に、上記触媒マットのない区間が設けられていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の触媒装置。
7. 隣接して直列に配置された触媒担体と中空状のストッパの外周に触媒マットを巻き付けて中間組立体を得る工程と、
   この中間組立体を金属パイプの中に挿入する工程と、
   この金属パイプを縮径加工して、上記触媒担体、ストッパ及び触媒マットを収容するケーシングを成形する縮径工程と、を有し、
   この縮径工程では、少なくとも上記ストッパの外周に位置する縮径部を縮径して、この縮径部とストッパとにより上記触媒マットのマット延長部を圧縮し、この圧縮されたマット延長部を介して上記ストッパをケーシングに保持させることを特徴とする触媒装置の製造方法。
8. 上記ケーシングが、上記触媒担体の外周に位置する円筒部と、この円筒部よりも内径が小さい開口部と、この円筒部と開口部との間に設けられ、円筒部から開口部へ向けて徐々に縮径された傾斜部と、を含んでおり、
   上記縮径工程では、上記傾斜部を成形することで上記縮径部を成形することを特徴とする請求項７に記載の触媒装置の製造方法。
   

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