JP2007507648A - 層の長さが異なる金属ハニカム体を製造するためのプロセス - Google Patents

Abstract

複数の滑らかな金属薄板箔（３）と少なくとも部分的に構造化された金属薄板箔（２）とを含み、ハウジング（４）に配置される金属ハニカム要素（１）を製造するための方法を開示する。滑らかな金属薄板箔（３）は第１の長さ（８）を有し、構造化された金属薄板箔（２）は第２の長さ（７）を有する。この発明の方法は、第１の長さ（８）と第２の長さ（７）との差がプレストレス（２１）に従って選択されることを特徴とする。

Description

この発明は、複数の滑らかな金属薄板箔と少なくとも部分的に構造化された金属薄板箔とを有し、ハウジングに配置される金属ハニカム体を製造するためのプロセスに関する。滑らかな金属薄板箔は第１の長さを有し、構造化された金属薄板箔は第２の長さを有する。

この種類の金属ハニカム体は、特に、触媒活性コーティング、吸着コーティング、酸化コーティング、還元コーティング、または自動車の内燃機関の排気システムにおけるのと同様の作用を持つコーティングのための支持体として用いられる。このようなシステムにおいて生じる極端な熱応力および動的応力のために、個々の金属薄板箔の間、さらに、金属薄板箔とハウジングとの間に永続的な接続を確保することが特に重要である。金属薄板箔は通常互いに接続され、接合技術、特に焼結、はんだ付けおよび／または溶接によってハウジングに接続される。このために、隣接した金属薄板箔の間および／または金属薄板箔とハウジングとの間の所望の接続位置における十分な接触位置が、接合による接続部のための基礎としての役割を果たすことが必要である。

ハウジングへの金属薄板箔の安定した接続を確実にするために、ＥＰ ０ ２４５ ７３７ Ｂ１においては、滑らかな金属薄板層に比べて所定の距離だけ波形の金属薄板層を短くすることによって、金属薄板層の端部をすべて管状ケーシングに接触させ、それに寄り掛からせることを確実にすることが明らかにされる。このために、さまざまな接触角度で管状ケーシングに安定して接続することがより容易になる。

ここで、この発明の目的は、長期間にわたって用いることのできる金属ハニカム体を製造するのに用いられるプロセスを提供することである。特に、ハニカム体のさまざまな断面形状および／またはさまざまな構成に対する層の長さの差を確実に決定できるようにすることを意図する。

これらの目的は、添付の特許請求項１の特徴を有するプロセスによって達成される。当該プロセスのさらなる有利な構成が独立請求項に記載される。この点では、従属請求項に開示される技術的な特徴が、実際に相互に参照される方法にかかわらず、技術的に適切な所望される方法で互いに組合され得ることに留意されたい。

複数の滑らかな金属薄板箔と少なくとも部分的に構造化された金属薄板箔とを有し、ハウジングに配置され、当該滑らかな金属薄板箔が第１の長さを有し、当該構造化された金属薄板箔が第２の長さを有している金属ハニカム体を製造するための、この発明に従ったプロセスは、第１の長さと第２の長さとの差がプレストレスの関数として選択される点で区別される。

説明のために、ここで、金属薄板箔が、通常、ハウジングの形状に実質的に対応する外部形状を有するように巻かれるかまたは絡み合わされることに留意されたい。このように金属薄板箔から予め形づくられている本体は管状ケーシングに導入され、そこで再び膨張しようとする。結果として、金属薄板箔の端部が、ハウジングの内側面に押し当てられる。

ここで、金属薄板の積重ねの外部形状が、その表面積に基づいてハウジングの内側面によって範囲が定められるハウジングの断面積よりもいくらか広い断面を有することが提案される。これは、金属薄板箔の積重ねをハウジングの内側面に接触させずにハウジングの内側領域に導入することができなくなることを意味する。過剰な面積は好ましくは１０％未満、特に２〜８％の範囲であり、結果として、金属薄板箔の積重ねがハウジングに導入されているとき、この明細書において「プレストレス」と称される力または圧力が周辺部を介して与えられる。この文脈においては、過剰な表面積は、プレストレスの基準を表わす好適な特性値である。したがって、以下の文脈においては、たとえば５％のプレストレスは、金属薄板の積重ねの断面が、面積の点では、その内側面によって区切られるハウジングの断面よりも５％大きいことを意味するものと理解されるべきである。

プレストレスは、ハニカム体が用いられている範囲の関数として選択されるべきである。さらに、ある状況下では、ハウジングの形状、または、どんな種類の金属薄板箔がいくつ用いられるかについても考慮に入れなければならない。プレストレスが決定されている場合、層の長さの差、または第１の長さと第２の長さとの差がこのプレストレスの関数として選択されることが提案される。この依存的な関係は、線形または非線形な形であってもよい。このさらなる詳細が以下に説明される。

当該プロセスのさらなる構成に従うと、第１の長さと第２の長さとの差を決定する際に以下のパラメータのうち少なくとも１つを考慮に入れることが提案される。

− 金属薄板箔の厚さ、
− 金属薄板箔の材料、
− 構造化された金属薄板箔の高さ、
− 構造化された金属薄板箔の逃げ面の勾配（Flankensteigung）、
− 構造化された金属薄板箔の構造の幅、
− 構造化された金属薄板箔の構造の幅および高さの比率、
− セル密度、
− 金属薄板箔の表面摩擦係数、
− ハニカム体の直径。

金属薄板箔の厚さおよび／または材料を考慮に入れなければならない。というのも、これらは、金属薄板箔の変形特性に重大な影響を及ぼすからである。より厚い金属薄板箔が用いられる場合、通常、金属薄板箔を導入する際の変形がより少なくなる可能性がある。材料に関しても同様である。金属薄板箔の変形が小さい場合、層の長さの差を同様に大きくする必要はない。当該構造の高さ、逃げ面の勾配、幅および／または幅と高さとの比率は同様に金属ハニカム体の剛性に著しく影響を及ぼす。比較的平坦な構造はより容易に押し縮められ得るので、この場合、金属薄板箔の積重ねが管状ケーシングに導入されると、構造化された金属薄板箔の長さが伸びる可能性がある。したがって、層の長さの差はまた、より大きくなるよう選択されなければならない。セル密度が別の関連する変数であり、具体的には、セル密度がより高いと層の長さの差がより大きくなる傾向があることが試験によって明らかになった。互いに隣接して配置される金属薄板箔がハウジングに導入されるとき互いに沿って摺動するために、金属薄板箔の表面摩擦係数が同様に重要になる。表面摩擦係数が低いということは、金属薄板箔が互いに沿ってより容易に摺動し、かつ、より大きな層の長さの差が確保されなければならないことを意味する。

さらに、第１の層と第２の層との差を決定する際に補正値を考慮に入れることも提案される。この補正値は、たとえば、この種類の金属ハニカム体を連続して製造するために特に重要である許容差の帯域を表わす。当該補正値は好ましくは１．３ｍｍ未満の範囲であ
り、決定された層の長さの差に追加されるかまたはこれから減じられてもよい。

特に非常に有利なプロセスに従うと、第１の長さと第２の長さとの差（Δ１）が以下の式に従って決定される。

この場合、Ｚ_H ＝ 「硬質」のセル接続部の割合
Ｚ_W ＝ 「軟質」のセル接続部の割合
Ｚ_G ＝ セルの総数
ｌ₀ ＝ ｍｍでの（応力なしの）パケット長さ
ｈ₀ ＝ ｍｍでの（応力なしの）パケット高さ
ｐ ＝ ｍｍでのピッチ
σ_V ＝ プレストレス
ｍ_iσ_V ＝ プレストレスによってもたらされる波形高さの低減。

「硬質」のセル接続部および「軟質」のセル接続部は、構造化された金属薄板層または滑らかな金属薄板層の挙動の２つの異なる形として理解されるべきである。硬質の接続部は、挿入中に互いに対する位置を変えないセル接続部を意味するものと理解されるべきである。これは、たとえば、互いに直接接触している隣接した滑らかな金属薄板箔と構造化された金属薄板箔との小区域が、挿入後、互いに対して位置を変えなかったことを意味する。対照的に、「軟質」のセル接続部は、互いに沿って摺動するので相対的に位置を変える接触位置を説明するのに用いられる語である。「硬質」および「軟質」のセル接続部の割合は、主に巻き（螺旋形、Ｓ字型など）の種類や、セル自体の形状に依存する。パケット長さという語は、金属薄板箔の積重ねの平均の長さを意味するものと理解されるべきであるが、パケット高さは、応力のない状態で金属薄板箔の積重ねの全体的な高さを表わす。ピッチという語は、当該構造の幅を意味するものと理解されるべきである。プレストレスは好ましくは４〜８％の範囲である。

これらの関係に基づき、パラメータを変更する際に層の長さの差に関して以下の傾向が想定され得る。以下の表においては、上向きの矢印は値の増加／上昇を表わし、下向きの矢印は値の減少／低下を表わす。

当該プロセスのさらに別の構成に従うと、ハニカム体の構造、特に以下の特性値、すなわち、巻きの種類、ハウジングの断面、セルの幾何学的構造のうちの少なくとも１つがまた、考慮に入れられる。「巻きの種類」という語は、金属薄板箔の積重ねまたはハニカム体を真横から見た場合の金属薄板箔の断面を指す。公知の種類の巻きには、たとえば螺旋形、Ｓ字型、Ｖ字型およびＷ字型が含まれる。事実上すべての考えられ得るハウジング断面の形状、特に円形、楕円形、多角形もしくは三角形またはこれらの組合された形が知られている。セルの幾何学的構造は通路の断面に実質的に適合され、この文脈においては、三角形、正弦波状、長方形、円形または同様のセルの幾何学的構造が公知である。

さらに別の構成に従うと、当該プロセスが少なくとも以下のステップを含むことが提案される。当該ステップとは、すなわち、
− 第１の長さと第２の長さとの差を決定するステップと、
− 第１の長さを有する滑らかな金属薄板箔と第２の長さを有する少なくとも部分的に構造化された金属薄板箔とを選択するステップと、
− 少なくとも１つの積重ねを形成するよう、滑らかな金属薄板箔と構造化された金属薄板箔とを交互に積重ねるステップと、
− 少なくとも１つの積重ねを巻くおよび／または絡み合わせるステップと、
− 滑らかな金属薄板箔および構造化された金属薄板箔の端部がすべてハウジングと接触するように、少なくとも１つの積重ねをプレストレスでハウジングに導入するステップとを含む。

このプロセスはまた、添付の図面に関連して以下により詳細に説明される。しかしながら、この点に関して、当該プロセスが、特に、螺旋形でないハニカム体の製造に関することに留意されたい。螺旋形であれば、１つの波形の金属薄板または１つの滑らかな金属薄板が常にハウジングの内側面の円周全体にわたって実質的に完全に当たっている。この場
合、金属薄板箔の端部が接触することはさほど重要ではない。というのも、金属薄板箔のうちの面積が大きい他の領域がハウジングに当たっているからである。多数の金属薄板を備えたハニカム体の構成においては、これらの金属薄板の各々がハウジングの内側面に当たる端部を有しており、金属薄板箔とハウジングとの間の接触位置ははるかにより小さくなる。それにもかかわらず、ハウジングへの金属薄板箔の永続的な接続を確実にするために、層の長さの差は、端部がすべて実際にハウジングと接触するように選択されるべきである。端部は、たとえば２ｍｍまたは１ｍｍ未満の長さにわたって、適切な場合には、わずか１０分の数ｍｍにわたって延在する金属薄板箔の、特に最後の部分を意味するものと理解されるべきである。

したがって、好ましくは、少なくとも１つの積重ねをＳ字型、Ｖ字型および／またはＵ字型に曲げることが提案される。

特に、積重ねられた金属薄板箔のＶ字型またはＵ字型の構成を目的として、複数の積重ねがハウジングに導入されれば有利である。他の積重ねが、好ましくは互いに隣接して位置決めされ、次いで、同時にハウジングに導入される。

さらに、接合剤がハニカム体の端部側にわたって塗布され、当該接合剤が、毛細管作用のために、個々の金属薄板箔の間、および金属薄板箔とハウジングとの間における接触位置に沿って分散されることも提案される。この場合、接合剤は、好ましくは、実際には接触位置付近、すなわち、たとえばポケット、においてのみ分散される。当該ポケットは、互いに隣接して配置される金属薄板層の間および／または金属薄板箔の端部とハウジングとの間に形成される。接合剤はまた、接合による接続部が実際に形成されるまで、その後接触位置において供給されるはんだをたとえば固定させる機能を有する。接合剤は、好ましくは、ハニカム体の熱処理中にガス成分に変換されるように選択されるので、たとえばはんだ接続部の形成を妨げない。

さらに、はんだがハニカム体の端部側にわたって塗布され、ハニカム体が１０００℃〜１３００℃の温度でおよび／または真空中ではんだ付けされることが提案される。この文脈においては、端部側を介して供給され、好ましくは接合剤に付着する粉末状のはんだを用いることが好ましい。この種類のはんだは、金属薄板箔に用いられる材料を考慮に入れて選択されるべきである。

当該プロセスのさらなる構成に従うと、触媒活性材料が含浸され、次いでか焼（kalzinieren）される支持層を金属薄板箔に備えることが提案される。この種類の推奨される支持層は、特に、ウォッシュコート（Washcoat）として知られるものである。この支持層は、たとえば排気ガスと密接することを確実にするように亀裂の入った特に粗い表面で区別される。さらに、面積の広い金属薄板は、均一な触媒活性材料を供給するための十分な空間を提供して、排気ガスに含まれる汚染物質の変換を促進する。

この発明は、添付の図面に関連して以下により詳細に説明される。この文脈においては、添付の図面が、特に好ましい実施例を単に表わすだけであるが、この発明がそれに限定されないことに留意されたい。

図１は、複数の滑らかな金属薄板箔３および少なくとも部分的に構造化された金属薄板箔２を含み、ハウジング４に配置されているハニカム体１を真横から見た図である。滑らかな金属薄板箔３および構造化された金属薄板箔２は、２つの端部側１３の間において互いに実質的に平行に延在する通路１０を形成する。強化構造２０は、図示されるハニカム体１の安定性を高めるために設けられる。

図２は、プレストレス２１を受けた滑らかな金属薄板箔３と構造化された金属薄板箔２とを備えた金属薄板箔の積重ねの挙動を概略的に示す。滑らかな金属薄板箔３は第１の長さ８を有し、構造化された金属薄板箔２は第２の長さ７を有する。第１の長さ８と第２の長さ７との差（Δｌ）は、プレストレス２１の関数として選択される。第１の長さ８と第２の長さ７との差は好ましくは５ｍｍ未満（特に１〜３ｍｍの範囲）であり、ある状況下では、第２の長さ７はまた、第１の長さ８より長くてもよい。プレストレス２１が与えられると、当該構造が平坦に圧迫されるので、少なくとも第２の長さ７に変化が生じることが図の右側に示される。しかしながら、同時に、元々滑らかな金属薄板箔３を構造化された金属薄板箔２の構造に適合させ、これにより、同様にその第１の長さ８を変えることもできる。しかしながら、最終的には、第１の長さ８と第２の長さ７との差は、プレストレス２１が与えられると端部１７がすべてハウジング４に当たるようなものにされる。

図３は、滑らかな金属薄板箔３および構造化された金属薄板箔２の端部１７の間における、ハウジング４に対するこの接触の正確な詳細図を概略的に示す。

図４は、滑らかな金属薄板箔３と波形の金属薄板箔２とによって形成された通路１０の詳細図を示す。少なくとも部分的にチャネル１０を形成する構造は、高さ５および幅６を特徴とする。構造化された金属薄板箔２および滑らかな金属薄板箔３の構造の逃げ面によって形成される角度は、逃げ面の勾配１２を特徴付ける。金属薄板箔２および３は、好ましくは５０μｍ未満の厚さ２２を有する。原則的に、構造化された金属薄板箔２および滑らかな金属薄板箔３が異なる厚さ２２を有することが可能である。金属薄板箔２、３は接触位置１５を介して互いに接続される。ここで説明される実施例においては、ハニカム体１は触媒活性コーティングのための支持体としての役割を果たす。このコーティングは、触媒１９がドープされた支持層１８、通常はウォッシュコート、を含む。排気ガスは、通路１０を通って流れると触媒活性コーティングと集中的に接触し、これにより、排気ガスに含まれる汚染物質の、触媒作用によって誘導される変換を引起す。

図５はハニカム体１の巻きのさらなる形状を示す。金属薄板箔２および３は、この場合、軸１１を中心にして螺旋状に巻かれ、ハウジング４に挿入される。この場合、ハウジング４は突起１１を備えて突き出ている。通路１０はまた、ハニカム体１を通って一方の端部側１３から他方側に、軸１１に対して実質的に平行に延在する。ハニカム体１は、この場合、好ましくは７０〜１３０ｍｍの範囲の直径３０を有する。

図６は、同様に、ハウジング４の内部に配置された複数の積重ね９を含むハニカム体１を示す。積重ね９は、この場合、複数の巻き点２３を中心にして巻かれ、ハウジング４に導入されている。

図７は、この発明に従ったプロセスの一連の構成を概略的に示す。ステップ１に従うと、滑らかな金属薄板箔３および構造化された金属薄板箔２は交互に層状に積重ねられて、積重ね９を形成する。滑らかな金属薄板箔３は第１の長さ８を有し、構造化された金属薄板箔２は第２の長さ７を有し、このようにして形成された積重ね９は、工具２４の助けを借りて巻き点２３を中心に曲げられる（ステップ２）。次いで、この種類の１つ以上の積重ね９が、第３のステップにおいてハウジング４に少なくとも部分的に導入される。ステップ４に示される変形例においては、積重ね９がハウジング４に完全に導入されているわけではなく、むしろ、覆われていない端面を、接合剤１４を分散させるためのディストリビュータ２５と接触させている。毛細管作用により、接合剤１４は、貯蔵器２６から吸引され、ディストリビュータ２５を介してハニカム体１における通路１０または積重ね９に送り込まれる。ステップ５に従うと、このように準備された当該体１は、はんだ１６を含む流動床（Wirbelbett）２７に浸漬される。当該プロセスにおいては、はんだ１６はハニ
カム体１の内部領域に浸透し、接合剤１４に接着する。接合によって接続部を形成するために、ハニカム体１は炉２８に搬送され、１０００℃を超える温度で真空中で熱処理される。

ハニカム体を真横から見た図である。 プレストレスを受けたハニカム体の挙動を概略的に示す図である。 端部領域におけるハニカム体の詳細図である。 コーティングが施されたハニカム体の詳細図である。 ハニカム体のさらなる実施例を示す図である。 ハニカム体のさらに別の実施例を示す図である。 ハニカム体を製造するための一連のプロセスを概略的に示す図である。

符号の説明

１ ハニカム体、２ 構造化された金属薄板箔、３ 滑らかな金属薄板箔、４ ハウジング、５ 高さ、６ 幅、７ 第２の長さ、８ 第１の長さ、９ 積重ね、１０ 通路、１１ 軸、１２ 逃げ面の勾配、１３ 端部側、１４ 接合剤、１５ 接触位置、１６ はんだ、１７ 端部、１８ 支持層、１９ 触媒、２０ 強化構造、２１ プレストレス、２２ 厚さ、２３ 巻き点、２４ 工具、２５ ディストリビュータ、２６ 貯蔵器、２７ 流動床、２８ 炉、２９ 突起、３０ 直径。

Claims (11)

1. 複数の滑らかな金属薄板箔（３）と少なくとも部分的に構造化された金属薄板箔（２）とを有し、ハウジング（４）に配置される金属ハニカム体（１）を製造するためのプロセスであって、前記滑らかな金属薄板箔（３）は第１の長さ（８）を有し、前記構造化された金属薄板箔（２）は第２の長さ（７）を有し、前記第１の長さ（８）と前記第２の長さ（７）との差はプレストレス（２１）の関数として選択されることを特徴とする、プロセス。
2. 前記第１の長さ（８）と前記第２の長さ（７）との差を決定する際に以下のパラメータのうち少なくとも１つが考慮に入れられ、前記パラメータは、
   − 前記金属薄板箔（２、３）の厚さ（２２）、
   − 前記金属薄板箔（２、３）の材料、
   − 前記構造化された金属薄板箔（２）の高さ（５）、
   − 前記構造化された金属薄板箔（２）の逃げ面の勾配（１２）、
   − 前記構造化された金属薄板箔（２）の構造の幅（６）、
   − 前記構造化された金属薄板箔（２）の前記構造の幅（６）および高さ（５）の比率、
   − セル密度、
   − 前記金属薄板箔（２、３）の表面摩擦係数、ならびに、
   − 前記ハニカム体（１）の直径（３０）、を含む、請求項１に記載のプロセス。
3. 補正値は、前記第１の長さ（８）と前記第２の長さ（７）との差を決定する際に考慮に入れられる、請求項１または２に記載のプロセス。
4. 前記第１の長さ（８）と前記第２の長さ（７）との差（Δ１）は以下の式に従って決定され、
   

   

   この場合、Ｚ_H ＝ 「硬質」のセル接続部の割合
   Ｚ_W ＝ 「軟質」のセル接続部の割合
   Ｚ_G ＝ セルの総数
   ｌ₀ ＝ ｍｍでの（応力なしの）パケット長さ
   ｈ₀ ＝ ｍｍでの（応力なしの）パケット高さ
   ｐ ＝ ｍｍでのピッチ
   σ_V ＝ プレストレス
   ｍ_iσ_V ＝ プレストレスによってもたらされる波形高さの低減、である、請求項１から３のいずれかに記載のプロセス。
5. さらに、前記ハニカム体（１）の構造、特に以下の特性値、すなわち巻きの種類、ハウジングの断面、セルの幾何学的構造のうち少なくとも１つがまた、考慮に入れられる、請求項１から４のいずれかに記載のプロセス。
6. − 前記第１の長さ（８）と前記第２の長さ（７）との差を決定するステップと、
   − 前記第１の長さ（８）を有する滑らかな金属薄板箔（３）と、前記第２の長さ（７）を有する少なくとも部分的に構造化された金属薄板箔（２）とを選択するステップと、
   − 少なくとも１つの積重ね（９）を形成するよう、滑らかな金属薄板箔（３）と構造
   化された金属薄板箔（２）とを交互に積重ねるステップと、
   − 前記少なくとも１つの積重ね（９）を巻くおよび／または絡み合わせるステップと、
   − 前記滑らかな金属薄板箔および構造化された金属薄板箔（３、２）の端部（１７）がすべて前記ハウジング（４）と接触するように、前記少なくとも１つの積重ね（９）をプレストレス（２１）でハウジング（４）に導入するステップとを少なくとも含む、請求項１から５のいずれかに記載のプロセス。
7. 前記少なくとも１つの積重ね（９）はＳ字型、Ｖ字型および／またはＵ字型に曲げられる、請求項６に記載のプロセス。
8. 複数の積重ね（９）が前記ハウジング（４）に導入される、請求項６または７に記載のプロセス。
9. 接合剤（１４）が前記ハニカム体（１）の端部側（１３）にわたって塗布され、前記接合剤（１４）は、毛細管作用のために、個々の前記金属薄板箔（２、３）の間、および、前記金属薄板箔（２、３）と前記ハウジング（４）との間における接触位置（１５）に沿って分散される、請求項６から８のいずれかに記載のプロセス。
10. はんだ（１６）は前記ハニカム体（１）の端部側（１３）を介して塗布され、前記ハニカム体（１）は、１０００℃〜１３００℃の温度で、および／または真空中ではんだ付けされる、請求項６から９のいずれかに記載のプロセス。
11. 前記金属薄板箔（２、３）は、触媒活性材料（１９）が含浸され、次いでか焼される支持層（１８）を備える、請求項６から１０のいずれかに記載のプロセス。
    

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