JP2600899B2 - 排ガス浄化触媒用メタル担体 - Google Patents

排ガス浄化触媒用メタル担体

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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、内燃機関の排ガス浄化触媒に用いられるメ
タル担体に関する。
[従来の技術] 排ガス浄化触媒用メタル担体として、例えば特開昭56
−4373号公報などにみられるように、第4図に示すよう
な平板101と波板102とを重ねてロール状に巻いてハニカ
ム部100を形成し、そのハニカム部100を金属製外筒200
内に収納したものが知られている。このメタル担体で
は、ハニカム部100の平板101と波板102、および外筒200
とハニカム部100とは、通常ロウ付けによって一体的に
接合されている。このメタル担体では、ハニカム部100
のハニカム通路表面にアルミナなどからなる触媒担持層
が形成され、その触媒担持層に貴金属触媒が担持されて
排ガス浄化触媒とされる。そして内燃機関の排気通路に
配置され、排気ガス中のHC、CO、NOxなどを浄化する。
なお、限られた体積中にできるだけ多くのハニカム通路
の面積を確保するのが望ましいことから、平板101およ
び波板102の厚さは強度を維持できる範囲でできるだけ
薄くされている。
ところで、ハニカム部を通過する排気ガスは、ハニカ
ム部の外周部に比べて中心部ほど流速が大きい。したが
って、メタル担体では、高温の排気ガスとの接触および
触媒反応による発熱により、中心部ほど高温で外周部ほ
ど低温となる温度分布が生じる。このためハニカム部の
中心部ほど熱による膨脹および冷却時の収縮量が大き
く、外筒膨脹および収縮量が最も小さい。ここでハニカ
ム部を構成する平板と波板の板厚は、一般に外筒の板厚
よりもかなり小さい。また、ハニカム部と外筒とは一般
に材質が異なるため、熱膨脹率も異なる。したがって膨
脹および収縮の量の差により発生する応力は、第3図A
に示すように、ハニカム部と外筒の境界部分に集中す
る。しかしながらハニカム部と外筒の境界部分では、ハ
ニカム部の波板の剛性が小さいため、第5図に示すよう
に外筒200と接合されている頂部の両側の部分で波板102
が破断する場合があった。
また、冷熱耐久試験を長時間行なった場合にも、最外
周の波板の部分で破断が生じる場合があった。すなわち
加熱時には熱膨脹率の違いにより、ハニカム部と外筒と
の膨脹量に差が生じる。一般にハニカム部の方が大きく
膨脹するが、最外周の波板の膨脹は外筒で規制されるた
め、最外周の波板に塑性変形が生じる場合がある。特に
高温の状態では塑性変形が生じやすい。そしてメタル担
体が冷却されると、ハニカム部は外筒に比べて一般に大
きく収縮する。したがって膨脹、収縮の繰返しにより、
ハニカム部の最外周の波板には金属疲労が生じ、最終的
には第5図に示すのと同じ部分で破断が生じる場合があ
った。さらに、メタル担体製造時のロウ付けの最にはメ
タル担体は1200℃もの高温となり、ハニカム部と外筒と
の膨脹の差が一層生じやすく、上述と同様にハニカム部
の最外周波板に塑性変形が生じ、冷却時に外筒と接合さ
れた波板頂部の両側の部分が破断する場合があった。
[発明が解決しようとする課題] 本発明は上記した事情に鑑みてなされたものであり、
ハニカム部と外筒との間の温度分布の違いおよび熱膨脹
率の違いから生じる応力の集中を緩和して、ハニカム部
の破断を防止することを目的とする。
[課題を解決するための手段] 本発明の排ガス浄化触媒用メタル担体は、平板と波板
とを重ねてロール状に巻いて形成されたハニカム部と、
ハニカム部が収納される外筒とよりなるメタル担体にお
いて、 ハニカム部の外周表面と外筒の内周表面との間には、
ハニカム部の外周表面を少なくとも一周し平板および波
板の板厚より厚く外筒の板厚より薄い板厚の補強波板が
補強波板の波のピッチと波の高さをそれぞれP,Hとしハ
ニカム部の波板の波のピッチと波の高さをそれぞれp,h
としたときに、P>p及びH>hの少なくとも一方の関
係式を満足するように構成されたことを特徴とする。
また第2発明の排ガス浄化触媒用メタル担体は、ハニ
カム部の外周表面と外筒の内周表面との間にはハニカム
部の外周表面を少なくとも一周し平板および波板の板厚
より厚く外筒の板厚より薄い板厚の補強波板が介在し、
補強波板の熱膨張率は外筒の熱膨張率とハニカム部の熱
膨張率の中間の値をもつことを特徴とする。
ハニカム部は、平板と波板とを重ねた状態でロール状
に巻いて形成されている。波板は、通常平板を波形状に
曲折して形成され、通常平板と同材質で同一板厚を有し
ている。この平板および波板は、従来と同様に例えばAl
−Cr−Fe合金、ステンレス鋼などから形成される。そし
て上記したように限られた体積中にできるだけ多くのハ
ニカム通路の面積を確保することが好ましいことから、
板厚は例えば0.05mmなど比較的薄いものが用いられる。
このハニカム部は、例えば波板の頂部にロウ材が塗布さ
れた状態で平板と重ねてロール状に巻上げられて形成さ
れ、外筒に収納後加熱される。これにより平板と波板と
はロウ付けされて一体的に接合される。また、拡散接合
により一体化することもできる。
外筒は例えばステンレス鋼製など従来と同様のものを
用いることができ、その板厚は従来と同様、通常1〜2m
m程度である。
本発明の最大の特徴は、ハニカム部の外周表面と外筒
の内周表面との間に補強波板が介在しているところにあ
る。
補強波板は、その板厚がハニカム部を構成する平板お
よび波板の板厚より厚くされる。例えば平板および波板
の1.1〜10倍程度の板厚が好ましい。これにより補強波
板はハニカム部より剛性が高くなり、破断を防止するこ
とができる。なお、補強波板の板厚は外筒の板厚より小
さいことが必要である。外筒の板厚と同等以上となる
と、補強波板の剛性が高くなり過ぎて変形が困難とな
り、ハニカム部に発生した応力を吸収するのが困難とな
る。
補強波板は波板形状をなしている。これにより補強波
板は、ハニカム部の膨脹または収縮の力を受けて弾性変
形可能であり、ハニカム部への応力集中を緩和すること
ができる。補強波板の弾性変形を容易とするために、例
えば補強波板の波のピッチをハニカム部の波板のピッチ
より大きくするのが好ましい。あるいは、補強波板の波
の高さをハニカム部より大きくすることも好ましい。こ
のように構成することにより補強波板が弾性変形しやす
くなって、ハニカム部に発生した応力を一層吸収しやす
くなる。さらに、補強波板にさらに小さな波を設けても
よい。このようにすれば、補強波板が一層弾性変形しや
すくなる。
また、補強波板の材質はハニカム部または外筒と同様
とすることもできるが、熱膨脹率が外筒とハニカム部の
中間の値となるような材質を選択することが望ましい。
このように構成することにより、補強波板の膨脹または
収縮の量がハニカム部と外筒の中間程度となり、膨脹ま
たは収縮の量の急変が防止される。これによりハニカム
部と補強波板との間、および補強波板と外筒との間にそ
れぞれ発生する応力を小さくすることができる。
補強波板はハニカム部の外周表面を少なくとも一周す
るように形成される。その際巻き層数は、ハニカム部の
外径およびハニカム部と外筒の膨脹係数の差によって最
適な層数に設定する。なお、一周以上とする場合は、補
強波板と同等の板厚の平板を介在させてもよい。
補強波板はハニカム部の波板表面に形成することもで
きるが、ハニカム部に発生する応力を充分受けるために
は、ハニカム部の平板表面に形成するのが望ましい。な
お、補強波板とハニカム部とは、一体としてもよいし別
体とすることもできる。
〔作用及び効果〕
本発明の排ガス浄化触媒用メタル担体では、ハニカム
部と外筒との間に平板および波板より板厚が厚い補強波
板が介在している。したがってハニカム部の膨脹または
収縮の動きによる応力が最も集中する外筒との境界部分
には補強波板が介在し、その剛性が大きいためその境界
部分における破断が阻止されている。
また補強波板は、波のピッチと波の高さをそれぞれP,
Hとしハニカム部の波板の波のピッチと波の高さをそれ
ぞれp,hとしたときに、P>p及びH>hの少なくとも
一方の関係式を満足する波板形状である。したがって高
温に加熱された場合に膨脹したハニカム部の力が補強波
板に作用すると、補強波板はハニカム部と外筒の間で弾
性変形してハニカム部の変形に追従する。これによりハ
ニカム部に生じた応力は、ハニカム部と補強波板との接
触部分と補強波板と外筒との接触部分に分散され、ハニ
カム部に作用する応力が小さくなる。また冷却時にハニ
カム部が収縮すると、それに伴って補強波板も変形する
ためハニカム部に発生する応力が小さくなる。すなわち
補強波板の変形によりハニカム部と外筒との接触部への
応力集中が緩和され、ハニカム部の破断が防止されてい
る。
また補強波板の熱膨張率が外筒の熱膨張率とハニカム
部の熱膨張率の中間の値をもつように構成すれば、補強
波板の膨張または収縮の量がハニカム部と外筒の中間程
度となり、膨張または収縮の量の急変が防止される。こ
れによりハニカム部と補強波板の間、および補強波板と
外筒の間にそれぞれ発生する応力を小さくすることがで
きる。
すなわち本発明のメタル担体によれば、ロウ付け時や
冷熱耐久試験においてもハニカム部の破断が生じること
が防止され、排ガス浄化触媒として使用時の耐久性が著
しく向上する。
[実施例] 以下、実施例により具体的に説明する。
第1図に本発明の一実施例の排ガス浄化触媒用メタル
担体の構成を説明する斜視図を、第2図にその要部断面
図を示す。このメタル担体は、ハニカム部1と、補強波
板2と、外筒3とより構成される。
ハニカム部1は、板厚0.05mmのAl−Cr−Fe合金製平板
10と、この平板10を波状に曲折して形成された波板11と
から構成されている。そして平板10と波板11とを重ね、
平板10を表側にしてロール状に巻いて形成されている。
なお、波板11の頂部と平板10との間にはロウが介在し、
平板10と波板11とはロウ付けにより一体的に接合されて
いる。
補強波板2は、Al−Cr−Fe合金から形成され、その板
厚は0.1mmである。そして波のピッチは波板11より大き
く、波の高さも波板11より大きくなっている。この補強
波板2は、ハニカム部1の外周表面に1周を僅かに超え
て巻かれ、ハニカム部1とロウ付けにより一体的に接合
されている。
外筒3はステンレス鋼から形成され、板厚1.5mmの円
筒状をなしている。そして外筒3内に補強波板2が巻か
れたハニカム部1が収納され、外筒3と補強波板2はロ
ウ付けにより一体的に接合されている。
なお、補強波板2の線膨脹率は13.5×10-6/℃、ハニ
カム部1は15×10-6/℃、外筒3は12×10-6/℃であっ
て、補強波板2はハニカム部1と外筒3のほぼ中間の値
を示している。
本実施例のメタル担体では、ハニカム部の膨脹または
収縮の動きによる応力がもっとも集中する外筒3との境
界部には、板厚が平板10および波板11より厚い補強波板
2が介在している。したがってその部分の剛性が大きい
ので、破断が防止されている。また、補強波板2は波板
形状であり、かつ波のピッチおよび高さは波板11より大
きく、しかも熱膨脹率がハニカム部1と外筒3の中間に
ある。したがって、ハニカム部1の膨脹または収縮の動
きにより補強波板2は容易に弾性変形し、ハニカム部1
と外筒3との接触部への応力集中を緩和する。これによ
りハニカム部1の破断も防止されている。ちなみに本実
施例のメタル担体の、外周部分から内周に向かう膨脹ま
たは収縮の応力の分布を第3図Bに示す。第3図から、
本実施例のメタル担体は従来品に比べて応力の集中が緩
和されていることが明らかである。なお、補強波板2と
ハニカム部1の材質を同じにしても(線膨脹係数が同
じ)、波形状を変更した効果が残り、中間の線膨脹係数
を用いた場合と同様の効果が確保できる。しかしその際
は、補強波板の巻き層数は、中間の線膨脹係数を用いた
場合に対し1.5〜2倍程度とすることが望ましい。
したがって本実施例のメタル担体においては、ロウ付
時に破断が生じず製品不良率が低減される。またこのメ
タル担体から形成された排ガス浄化触媒にあっては、長
期関の使用においても破断が生じず、耐久性が向上す
る。
【図面の簡単な説明】
第1図および第2図は本発明の一実施例のメタル担体に
関し、第1図はその構成を示す斜視図、第2図はその要
部断面図である。第3図はメタル担体の厚さ方向の応力
分布を示すグラフである。第4図は従来のメタル担体の
側面図、第5図は従来のメタル担体の破断部分を示す要
部断面図である。 1……ハニカム部、2……補強波板、3……外筒、10…
…平板、11……波板

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】平板と波板とを重ねてロール状に巻いて形
    成されたハニカム部と、該ハニカム部が収納された外筒
    とよりなるメタル担体において、 該ハニカム部の外周表面と該外筒の内周表面との間には
    該ハニカム部の外周表面を少なくとも一周し該平板およ
    び該波板の板厚より厚く該外筒の板厚より薄い板厚の補
    強波板が介在し、該補強波板の波のピッチと波の高さを
    それぞれP,Hとし該ハニカム部の該波板の波のピッチと
    波の高さをそれぞれp,hとしたときに、P>p及びH>
    hの少なくとも一方の関係式を満足するように構成され
    たことを特徴とする排ガス浄化触媒用メタル担体。
  2. 【請求項2】平板と波板とを重ねてロール状に巻いて形
    成されたハニカム部と、該ハニカム部が収納された外筒
    とよりなるメタル担体において、 該ハニカム部の外周表面と該外筒の内周表面との間には
    該ハニカム部の外周表面を少なくとも一周し該平板およ
    び該波板の板厚より厚く該外筒の板厚より薄い板厚の補
    強波板が介在し、該補強波板の熱膨張率は該外筒の熱膨
    張率と該ハニカム部の熱膨張率の中間の値をもつことを
    特徴とする排ガス浄化触媒用メタル担体。
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