JP2523460B2 - 変化する流路数を有する一体形金属製ハニカム体 - Google Patents

変化する流路数を有する一体形金属製ハニカム体

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Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、特に触媒担体として内燃機関で排気ガス
の浄化のために使用される一体形金属製ハニカム体に関
する。
この種のハニカム体は多数の構造形式において、例え
ば欧州特許第0245737号、同第0245738号及び国際特許出
願公開第90/03220号明細書から知られている。
場合によっては種々のハニカム形状又はハニカム寸法
の複数の円板を流れる方向へ相前後して配置すること
が、排気ガス浄化をできるだけ効果的にするために有意
義となり得ることも知られている。この種のハニカム体
は一般に一体形ではなくなるので、その装置、外被筒中
へのはめ込み及び場合によっては被覆の際に多大の出費
が必要である。複数の円板から成るこの種のハニカム体
は例えば国際特許出願公開第90/04087号又は欧州特許第
0121175号明細書に記載されている。
一体形ハニカム体中での効果及び／又は流れ状態の改
善のために例えば、欧州特許出願公開第0186801号、同
第0152560号又はドイツ連邦共和国特許出願公開第29027
79号明細書により、ハニカム体中で異なる成形手段によ
り個々の流路を相互にずらすか中断し、それにより排気
ガスにより流入可能な補助的な縁を生じさせ、このこと
により触媒変換を有利にしようとすることが既に提案さ
れる。類似の効果は、例えばドイツ連邦共和国実用新案
第8909128号明細書（先願）に記載されているように、
流路壁の一部の折り返しによっても達成できる。
そのように構成された一体形ハニカム体では、流入縁
に関する種々の板形状により単位面積当たりの流路数の
増加の際と同様な効果が得られるにもかかわらず、ハニ
カム体はすべての断面領域において同数の板層を用いる
ので、触媒活性面が各断面領域において同じにとどまる
ということが共通している。しかし断面領域当たりの触
媒活性面積はそれにより変更できない。
従って取り扱い及び排気ガス系中へのはめ込みが容易
なために好んで使用される一体形ハニカム体の場合に
は、従来技術によれば第１の断面領域に存在する触媒活
性面積が、すべての断面領域で流れ方向へ続くその面積
に等しい。これにより始動特性及び熱劣化に対する耐久
性に関して一体形ハニカム体の特性の最適化は限られた
範囲でしか可能でない。例えばハニカム体がエンジンの
冷態始動の際にできるだけ速やかに触媒的変換に十分な
温度に到達することを望むならば、ハニカム体はその第
１の断面領域で過大な質量を有するべきでない。しかし
このことは一体形ハニカム体において同じ質量をすべて
の後続の断面領域でも維持しなければならないので、完
全な変換のためには場合によってはハニカム体を不本意
に長くしなければならない（流路の数が少ないために長
い流路が必要となる）という結果を必然的に招く。
これに対しハニカム体が多数の流路及び短い組み立て
長さにより形成される場合には、ハニカム体は一方では
場合によっては不利な冷態始動特性を有するが、運転温
度到達後は前側の断面領域中で既に排気ガス中の有害物
質の大部分を発熱反応により変換することになる。しか
しこの第１の部分区画におて触媒活性被膜の早期の劣化
を招く最高温度が生じ、その際この高い温度が流れによ
り後続の層にも伝えられるので、触媒的変換のために少
ししか寄与しないにもかかわらずこれらの層が同様に熱
的に劣化する。
この発明の課題は、変化する流路数すなわち流れ方向
へ異なる質量及び異なる大きさの触媒活性面を備えて、
種々の使用条件に良好に適合可能である一体形ハニカム
体を提供することにある。特に始動特性、熱劣化及び組
み立て長さに同時に良好に影響を与えることができるよ
うにしようとするものである。
この課題の解決のために、流体により一つの流れ方向
へ貫流可能であり流入側端面及びこの端面から間隔を置
いた流出側端面を備える一体形ハニカム体が用いられ
る。その際ハニカム体は層状に配置され少なくとも部分
的に成形された板から成り、これらの板がほぼ板の形状
により決定される寸法により流れ方向へ延びる流路を形
成し、更に断面積当たりの板及び流路の数従って個々の
流路の断面積が流れ方向に相前後して設けられた異なる
部分区画において変化し、板層の一部が平滑か又は流路
の寸法に比べて弱く成形され且つ流入側端面から流出側
端面まで延びており、それによりハニカム体が一体形状
を備えており、この板層間の間隔に、異なる部分区画に
おいては異なる数の板層が挿入される。
その際重要なことは、一体形ハニカム体が異なる幅と
異なる寸法の形状とを有する板から構成されることであ
り、それによりまさに流路数及び触媒活性面積の所望の
変更を達成することができる。前記従来技術から認めら
れるように、ハニカム体を構成できる板層では多くの異
なる板構成及び配置方式が存在する。この発明は労力は
別としてもすべてのこれらの形に原理的に適用可能であ
る。一番よく用いられる構成の一つは平板及び波板の交
互の層の利用である。しかし種々の理由から、例えば平
板が小さい波長及び小さい振幅を有する微小波形を備え
るか、又はすべての板が流れ方向に対し直角に延びる微
小成形部を有することにより、この基本構成には多くの
用途において更に薄い成形部が重畳される。以下で平ら
な板層とは、ハニカム体中に生じる流路の寸法に比べて
小さい例えば流路の最大寸法の20％より小さいような成
形部を有する板層を意味する。これに反して厚い成形部
とは、形成される流路の寸法の大きさを有しまさに流路
の形成をこの寸法により達成できる成形部を意味する。
種々の構造形式によりハニカム体は多数の個々の板か
ら構成されるか、又は他方ではハニカム体全体が一つ又
は二つの螺旋形に巻かれた又は蛇行形に積層された板だ
けから成る構造もまた知られているので、以下の明細書
及び請求の範囲では部分的に用語「板層」が上位概念と
して用いられる。その際個々の板層が巻き付けられた又
は折り畳まれた板により又は分離された板により構成さ
れるかどうかは重要でない。
ハニカム体中の板層の一部が連続的に流入側端面から
流出側端面まで延びていることにより、ハニカム体は内
部結合を有する一つのブロックから構成されることにな
る。
両端面の間隔の一部だけにわたりそれぞれ延びる別の
平らな板層によりハニカム体を更に分割することができ
る。補助的な板層及びこれらの板層の間に配置すべき成
形された板はまさに、ハニカム体の所定の部分区画中に
比較的多くの触媒活性面及び比較的多数の流路を収容す
るという要求を満たす。
図面により詳述にするように、異なる流路数は異なる
断面領域において流れ方向に対しほぼ平行に厚く成形さ
れた少なくとも２種類の異なる板を用いることにより達
成することができ、個々の平板の間隙は厚く成形された
板により充填され、これらの成形板は流路の境界を形成
する。
厚く成形された板としては異なる成形高さを有し通常
の形で波形又は台形又はジグザグ形に曲げられた板が適
している。
ハニカム体全体を貫通する平板は相互に層間隔を有
し、この層間隔は厚く成形された板の最大成形高さを決
定する。更に追加される平らな中間板によりこの成形高
さは最も簡単な場合に二つ又は三つ又は四つの等間隔へ
分割される。それに応じて板の成形高さはこれらの間隔
を満たすために最初の成形高さに比べて1:2、1:3又は1:
4の比率を有しなければならない。波高の正確な比率に
あたっては平らな中間層の厚さを考慮しなければならな
いが、この厚さは通常ほぼ無視できるほど小さい。なぜ
ならばこの厚さは成形された板の弾性変形範囲内にある
からである。それゆえに前記の数値は近似的に適用する
だけでよい。
原理的には種々の流路数を同じ成形高さと異なる成形
幅とを有し種々の厚く成形された板によっても実現でき
る。しかしその際特に流路形状が著しく変更され、この
ことは不利な流体断面を招くおそれがある。
更に指摘すれば連続する平らな板層の間の一層細かい
分割は、平らな中間層無しに重ねて置かれ逆向きに傾け
て波打たせた二つ以上の板層によっても達成することが
できる。そのとき二つの平らな板層の間にはハニカム体
の第１の部分区画では大きい成形高さを有するただ一つ
の波打った板層が設けられ、他方では別の部分区画では
重ね合わせて積層され逆向きに傾斜した複数の波打った
板層を配置することができる。
ハニカム体中の個々の部分区画の間の移行域内では、
大きい流路と小さい流路との流路壁の不規則な交差に基
づき不利な状況を招くおそれがあり、この状況は特に触
媒活性コンパウンドによる後の被覆の際に閉塞を生じる
おそれがある。この理由から厚く成形された板の幅をハ
ニカム体の少なくとも一つの部分区画ではこの部分区画
の幅より狭くすると有利である。それにより移行域では
流れ方向へ多少広い補償間隙が異なって成形された板層
の間に生じ、このことは被覆に対してばかりでなくハニ
カム体中での後の流れ状況に対しても有利である。
通常の用途に対してはハニカム体の二つ又は三つの部
分区画への分割が有利であることが判明している。その
際第１の区画は約50〜100cpsi（これは平方インチ当た
りの流路数のための通常の表し方である）を有し、第２
の区画は望ましくは200〜500cpsiを有するべきである。
必要な場合にはこれらの両区画の間に約100〜200cpsiを
有する区画を設けることができる。
大抵の用途に対しては断面積当たりの板層及び流路の
数が流れ方向へ向かって増加するようにハニカム体を構
成するのが有利である。このことは好適な始動特性をも
たらし同時に熱劣化による損傷を低減する。
しかし有害物質を低減する別の装置又は前置触媒との
組み合わせでは、流れ方向へ板層の数が減少する逆の配
置も有利である。
流路の数をまず増加させそして流れ方向へ向かって再
び減少させることも考えられる。このようにすれば例え
ば組み込み方向に関して対称的なハニカム体を実現でき
るので、組み込み上の間違いを招くおそれがない。この
種の装置により場合によってはハニカム体の消音特性が
より良好になる。
既に公知の形式のハニカム体を断面でほぼＳ字形に延
びる板層により構成すると、加工技術上特に有利であり
かつ安定性が良くなる。この種のハニカム体は板積層体
の端部の逆向きの絡み合わせにより製造可能である。そ
の際所望の構成を達成するために積層体を異なる部分区
画において異なる数の板から積層することが容易に可能
である。一般に交互に配置された平板及び法板を用い
る。その際波板は二つ以上の異なる波高及び／又は平均
の波幅を有するようにする。
この種の積層体の場合に積層体全体にわたって連続し
てはいない平板の幅を各中間層中で個々に自由に選択す
ることも基本的に可能である。こうしてそれぞれ二つの
部分区画の間の境界が一平面上ではなく湾曲して延び、
その結果個々の流路が一つの部分区画中で異なる長さを
とるようなハニカム体が生じる。この種の装置はハニカ
ム体の消音特性に有利に影響し、また更に断面上の不均
一な流れ分布を防止するのを助けることもできる。
この発明の一層の詳細及び実施例を図面により詳述す
る。
第１図はこの発明に基づくハニカム体の斜視図を示
し、 第２図、第３図及び第４図は第１図の切断線II-II、I
II-III及びIV-IVによる部分図を示し、 第５図は第１図の長手方向断面略図を示し、 第６図及び第７図は変形されたハニカム体の長手方向
断面略図を示し、 第８図は成形された板層に対し用いられる寸法の尺度
を示す。
第１図は、この発明の有利な実施例として流入側端面
１及び流出側端面２を有するハニカム体を斜視図で示
す。このハニカム体の構造の説明のために第２図、第３
図及び第４図に種々の断面を示す。ハニカム体はまず平
板４による一体形の外形を保ち、これらの板はハニカム
体全体及びすべての断面を通り連続する。これらの板層
４はそれぞれ断面上でＳ字形に延びる。板層４の間には
第１の部分区画内では波板７が配置され、これらの板は
その波形により流路３の大きさを決定する。第１の部分
区画Ａには流れ方向に第２の部分区画Ｂが続き、この部
分区画は平板層４の間に別の補助的な平板層５が設けら
れることにより部分区画Ａと異なっている。平板層４と
５の間の中間空間は波板８により分割され、その際波板
８は平板層の厚さを無視すれば第１の波板７のほぼ半分
の波高を有する。部分区画Ｂではハニカム体は部分区画
Ａに比べてほぼ２倍の流路数を有する。
第３の部分区画Ｃではそこに延びる平板層４、５に加
えて更に補助的な平板層６がはめ込まれ、残りの中間空
間がここでも部分区画Ｂの波板に比べてちょうど半分の
波高を有する波板層９により分割されている。従ってこ
の種のハニカム体は例えば部分区画Ａでは100cpsiの、
また部分区画Ｂでは200cpsiの、また部分区画Ｃでは400
cpsiの流路密度を有することができ、しかし外見上は純
粋に一体形の構成を有する。
第５図はハニカム体の内部構成を長手方向断面略図で
示したもので、その際この図形の場合にはどの個所で波
板がまさに切断されているかは明示されていないが、平
板が実線として示され波板が斜めのハッチングで示され
ている。しかしその際ハッチングは波板のそれぞれの波
高を示そうとするものである。個々の部品は第１図と同
じ符号を付けられ、その際更に第１の部分区画Ａが長さ
ａを有し、第２の部分区画Ｂが長さｂを有し、第３の部
分区画Ｃが長さｃを有することが示されている。しかし
第５図は一つの観点で、すなわち部分区画Ｂ中の波板８
及び部分区画Ｃ中の波板９がこれらの部分区画の幅全体
を満たしていないということにより特殊性を示す。波板
８は幅ｂ′を有するにすぎずまた波板９は幅ｃ′を有す
るにすぎず、他方では平板５、６は部分区画Ｂ、Ｃの全
幅ｂ、ｃを満たす。従って平板は波板のためのストッパ
として働き、その結果すべての板がハニカム体中で右側
を一平面上に揃えて積層されるときに、大きい流路から
小さい流路への移行を容易にし、しかも触媒活性材料に
よる被覆に有利であるばかりでなくハニカム体の後の貫
流に有利な補償間隙11、12が生じる。
第６図及び第７図は、ハニカム体中での異なる幅の平
板及び波板の配置のための多くの変形例が存在すること
を示す。第６図ではハニカム体の各二つの部分区画の間
の境界61、62が一平面上になく図示の長手方向断面図で
例えば放物線形に延びており、このことはＳ字形板層を
有するハニカム体の場合に部分区画の間の全体として極
めて不規則な境界面をもたらす。このことは前記のよう
に消音又は流れ分布に関する長所をもたらすことができ
る。
なお第７図は、流路の数をハニカム体の中央領域にお
いてだけ増加ししかし端面領域では小さく保つ実施例を
示す。
成形高さ及び平均成形幅の定義のために第８図が用い
られる。典型的な波形において望ましくは板７、８、９
のために前記実施例で用いられるようなインボリュート
歯成形法により加工された波形の場合には、成形高さｈ
は波底と波頂との間の距離であり、他方では平均成形幅
mbはここでは例えば半分の成形高さｈにおける波側面の
平均間隔である。同様に異なる公知の構成に対して相応
の高さ及び幅を定義することができ、その際最終的には
この断面領域に生じる平均成形高さ及び支配的な平均成
形幅によりハニカム体の断面積を割るとまさにこの断面
領域における流路の数が得られる。
この発明は始動特性、熱劣化及び組み立て長さに関し
て自動車排気ガス系のための触媒の最適化のための基礎
を提供する。この発明は触媒の設置の際の不必要な予備
体積を不要にし、従って原料特に触媒活性の貴金属を節
約することを可能にする。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−113112（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−18123（ＪＰ，Ａ) 実開 平２−35919（ＪＰ，Ｕ) 米国特許3785781（ＵＳ，Ａ)

Claims (15)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】流入側端面（１）及びこの面から間隔を置
    いた流出側端面（２）を有するハニカム体を備え、ハニ
    カム体は層状に配置され少なくとも部分的に成形された
    板（４、５、６、７、８、９）から成り、これらの板が
    ほぼ流れ方法に延び板（７、８、９）の成形された形状
    により決定される大きさの流路（３）を形成し、断面積
    当りの流路（３）の数及び従って個々の流路（３）の断
    面積が、流れ方法に順次設けられた異なる部分区画
    （Ａ、Ｂ、Ｃ）において変化する一つの流れ方向へ流体
    が貫流可能なハニカム体において、板層（４）の一部が
    平滑か又は流路（３）の寸法に比べて弱く成形され且つ
    流入側端面（１）から流出側端面（２）まで延びてお
    り、それによりハニカム体が一体形状を備えており、こ
    の板層（４）間の間隔に、異なる部分区画（Ａ、Ｂ、
    Ｃ）においては異なる数の板層（４、５、６、７、８、
    ９）が挿入されていることを特徴とするハニカム体。
  2. 【請求項２】ハニカム体が別の平らな又は薄く成形され
    た板層５、６を備え、これらの板層がそれぞれ端面
    （１、２）の間隔の一部（Ｂ、Ｃ）にわたってのみ延び
    ることを特徴とする請求項１記載のハニカム体。
  3. 【請求項３】ハニカム体が流れ方向に対しほぼ平行に厚
    く成形された少なくとも２種類の異なる板（７、８、
    ９）を備え、これらの板が形成される流路（３）の大き
    さの成形高さ（ｈ）又は平均成形幅（mb）を有するとと
    もにそれぞれハニカム体の一つの部分区画（Ａ、Ｂ、
    Ｃ）にわたってのみ延びることを特徴とする請求項１又
    は２記載のハニカム体。
  4. 【請求項４】厚く成形された種々の板（７、８、９）が
    波形又は台形又はジグザク形に曲げられ異なる成形高さ
    （ｈ）を有する板であることを特徴とする請求項３記載
    のハニカム体。
  5. 【請求項５】厚く成形されたそれぞれ異なる板（７、
    ８、９）がほぼ1:2又は1:3又は1:4の各比率の異なる成
    形高さ（ｈ）を有することを特徴とする請求項４記載の
    ハニカム体。
  6. 【請求項６】厚く成形された種々の板が同じ成形高さ
    （ｈ）と異なる平均の成形幅（mb）とを有することを特
    徴とする請求項３記載のハニカム体。
  7. 【請求項７】異なる部分区画（Ａ、Ｂ、Ｃ）中の各二つ
    の連続する平らな又は薄く成形された板層（４）の間に
    は、連続する板層（４）の間隔に相応する成形高さを有
    し厚く成形された一つの板層（７）か、又は重なり合い
    場合によってはそれ自体平らな又は薄く成形された板層
    （５、６）により分離され相応に小さい成形高さ（ｈ）
    の厚く成形された二つ以上の板層（８、９）が配置され
    ていることを特徴とする請求項５記載のハニカム体。
  8. 【請求項８】厚く成形された板（８、９）が少なくとも
    一つの部分区画（Ｂ、Ｃ）中では平らな又は薄く成形さ
    れた板（５、６）により与えられる部分区画（Ｂ、Ｃ）
    の寸法（ｂ、ｃ）より狭く（ｂ′、ｃ′）、その結果部
    分区画（Ａ、Ｂ、Ｃ）間の移行域中に補償間隙（11、1
    2）が存在することを特徴とする請求項３記載のハニカ
    ム体。
  9. 【請求項９】ハニカム体が、流れ方向へ相前後して設け
    られ単位面積当たり流路数の異なる二つ又は三つの部分
    区画（Ａ、Ｂ、Ｃ）を有し、平方インチ当たり50〜100
    の流路（cpsi）を有する第１の区画（Ａ）、100〜200cp
    siを有する第２の区画（Ｂ）及び200〜500cpsiを有する
    別の区画（Ｃ）を備えることを特徴とする請求項１ない
    し８の一つに記載のハニカム体。
  10. 【請求項１０】断面積当たりの板層（４、５、６、７、
    ８、９）及び流路（３）の数が流れ方向へ増すことを特
    徴とする請求項１ないし９の一つに記載のハニカム体。
  11. 【請求項１１】断面積当たりの板層（４、５、６、７、
    ８、９）及び流路（３）の数が流れ方向へ減ることを特
    徴とする請求項１ないし９の一つに記載のハニカム体。
  12. 【請求項１２】断面積当たりの板層（４、５）及び流路
    （３）の数が流れ方向へまず増しそして再び減ることを
    特徴とする請求項１ないし９の一つに記載のハニカム
    体。
  13. 【請求項１３】板層（４、５、６、７、８、９）がほぼ
    断面内でＳ字形に延びることを特徴とする請求項１ない
    し12の一つに記載のハニカム体。
  14. 【請求項１４】板層が交互に配置された平板（４、５、
    ６）及び波板（７、８、９）から成り、波板（７、８、
    ９）が二つ以上の異なる波高（ｈ）及び／又は平均の波
    幅（mb）を有することを特徴とする請求項１ないし13の
    一つに記載のハニカム体。
  15. 【請求項１５】各二つの部分区画（Ａ、Ｂ、Ｃ）の間の
    境界（61、62）が一つの平面上でなく湾曲して延び、そ
    れにより個々の流路（３）が各一つの部分区画（Ａ、
    Ｂ、Ｃ）で異なる長さを有することを特徴とする請求項
    １ないし14の一つに記載のハニカム体。
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