JP4152445B2 - 補強された壁構造を有する、ハニカム本体、特に、触媒コンバータキャリヤ本体 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の特徴部分に記載のハニカム本体に関する。このようなハニカム本体は、たとえば、内燃機関の排気ガスを触媒浄化するのに使用される。
ＥＰ ０ ４３６ ５３３ Ｂ１号は、チューブ状ケーシング内に、少なくとも部分的に構造が設けられたメタルシートからなる、互いに反対方向に巻かれたスタックを含む、ハニカム本体を開示している。該スタックの１または複数のシート層は、他の層よりもより厚くされており、上記１または複数の層は、より厚いシートまたは、互いに対して密接に圧迫されている複数の薄いシートを含む。これらの、より厚いおよびより薄いシートの層が、通路の壁部を形成し、この通路を通じて排気ガス流が流れることができる。該シート層は、その少なくとも複数部分において、チューブ状ケーシングに、関連する材料を密着させる手順によって、接続されている。より厚いシート層は、その機械的強度が高いために、チューブ状ケーシングにおいて容易に引き剥がされることはない。さらに、それらはまた、それらに隣接するより薄いシート層をしっかりと保持して、それらもまたチューブ状ケーシングから引き剥がされることのないように、または、チューブ状ケーシングから引き剥がされてしまったとしても少なくともその厚いシート層によってしっかりと保持されるように、することができる。スタックの個々のメタルシート層は、好ましくはハニカム本体の両端のうち一方端部において、互いにはんだ付けすることができる。上述の構成は、厚いシート層のおかげで、ハニカム本体を安定にするための壁構造を提供することができる。
近年、新規なハニカム本体の開発は、熱容量を減じる方向に沿って行なわれている。熱容量の低減により、ハニカム本体を排気ガス触媒コンバータ内で使用する際に、特に改善されたコールドスタート性能を達成することが可能となる。触媒作用が開始される発火温度がより早期に達成されるのである。熱容量以外にも、ハニカム本体を通じるガス流において発生する圧力低下もまた、開発の一端をなす。圧力低下は、できる限り低くなければならない。これらの開発目的、すなわち、低い熱容量および低い圧力低下はいずれも、薄い通路壁部によって達成することが可能である。しかし、そのように薄い通路壁部は、ただ薄ければどのような寸法であってもよいというわけではない。というのも、任意の厚さでは、壁部構造が不安定となり、熱および／または機械的負荷の下、損傷を受けてしまうおそれがあるためである。
本発明の目的は、安定性に優れた、薄い通路壁部を有するハニカム本体を提供することである。
本発明に従えば、この目的は、請求項１に記載の特徴を有するハニカム本体によって達成され、有利な展開例が、従属項の主題である。
本発明に従ったハニカム本体は、第１の厚さのシートメタル層と、第２の厚さのシートメタル層とを有し、第２の厚さは第１の厚さよりも厚い。ハニカム本体はその内部に、第２の厚さを有する少なくとも２つのシート層から形成された、格子状の構造を含む。これらシート層のうち、少なくとも１層は、構造が設けられたシート層である。該少なくとも２つのシート層は、材料を密着させる手順、好ましくは互いにはんだ付けされることによって、少なくとも数ヶ所で互いに接続される。
シート層の「ａ」の厚さとは、シート材料の平均厚さを意味し、一方、局所の厚さは、この平均厚さから数パーセントのばらつきを有し得る。
上記接続場所は、点状、線状、または面状である。関連する材料を密着させる接続は、好ましくは、該格子状の構造の全長に、すなわち、通路を通じる流れの方向にかつその流れの方向に対して垂直に、存在する。ハニカム本体の安定性にとって重要な考慮事項は、この格子状の構造に固有の十分な安定性である。材料を密着させる該接続は、したがって、連続して、または好適な間隔をおいて、配されることが好ましい。しかし、ハニカム本体の構成および使用目的に応じて、関連する材料を密着させる接続は、状況によっては、通路の端部、すなわち、ハニカム本体の端部であっても十分である場合もある。
本発明の１つの利点は、薄い壁部を有するハニカム本体が、安定した構造を有することができることである。それにより、たとえば、高いセル密度、すなわち、ハニカム本体の断面の単位面積あたり多数の通路を、高い圧力低下という欠点を容認する必要なく、達成することが可能となる。セル密度が高いと、排気ガスの触媒浄化に好影響を与える。なぜなら、ハニカム本体の単位容積あたり、触媒作用を得ることのできる表面積を大きくすることが可能となるためである。
排気ガス触媒コンバータを有する内燃機関のコールドスタート段階または再スタート段階において、触媒コンバータができる限り迅速に発火温度に到達することが重要である。薄い壁部は、その低い熱容量によって、これを可能にする。重要なことは、この薄い壁部で少なくとも局所的に、発火温度に迅速に到達することである。しかし、触媒コンバータの全域にわたってほぼ同時に発火温度に達する必要はない。というのも、発火温度に達した後に起きる化学反応は、発熱性であって、発火温度に達したかまたはそれを超えた区域は、その後急速に広まるためである。
本発明に従ったハニカム本体を使用すれば、排気ガス触媒コンバータにおける触媒作用を早期に開始させることができる。熱い排気ガスのほぼ均一な流れを、上記第１および第２の厚さのシート層で受取ることにより、触媒作用は、第１の厚さの（薄い）シート層において開始され、その後急速に、第２の厚さのシート層へと広がる。１つの厚さのシート層のみで形成されたシート層からなる、同じ熱容量を有するハニカム本体の場合と比較して、触媒作用はより速く開始される。また、本発明に従ったハニカム本体のシート層の熱容量の方が大きい場合であっても、薄いシート層を含む限り、触媒作用はより迅速に開始される。
関連する材料を密着させることによる上記接続は、シート層を重ねるステップおよび／または巻くもしくは渦状に巻くステップの後に、行なわれることが好ましい。さもなければ、第１の厚さのシート層が、第２の厚さのシート層または格子状の構造によって、たとえば引き剥がされる等の損傷を受けかねない。
シート層は、好ましくは、互いにはんだ付けされる。格子状構造のはんだ付けのためには、シート層を重ねるステップおよび／または巻くもしくは渦状に巻くステップの後にはんだ付け作業を終えることのできる、すべての公知のはんだ付け手順を考慮に入れることが可能である。特定的には、格子状構造のはんだ付けと、他のシート層のはんだ付けとに、異なるはんだ付け手順を使用することもできる。たとえば、はんだホイルまたははんだワイヤを、格子状構造のシート層の間に巻き付けることも可能である。このようにして、はんだ接合を、ハニカム本体の内部に、格子状構造の内部に形成しながら、一方で、他のシート層を、たとえば、ハニカム本体の端部のみで互いにおよび格子状構造に対してはんだ付けすることも、可能である。
本発明に従ったハニカム本体に関しては、シート層のスタックまたは巻きにわたって好ましくは均一に配置される、複数の格子状構造を有するように設計される構造もある。
本発明に従ったハニカム本体は、たとえば、ＥＰ ０ ４３６ ５３３号に示されるように、部分的に構造が設けられたシートから作られる。シート層によって形成される通路壁部は、ハニカム本体の軸方向の長さにわたってほぼ同じものであることが好ましい。しかし、強化された格子状の壁部構造がハニカム本体の軸方向の長さの１または複数の部分にわたってのみ存在するような実施例もある。これは、たとえば、シート層の数箇所を、より短いシート層で強化することによって達成することが可能となる。
構造が設けられたシート層を有するさらなる実施例においては、該構造は、線状に隆起した部分またはうねを有し、そのうねが隣接するシート層に接触する構造を有する。このように構造が設けられた、少なくとも２つの隣接するシート層は、互いに交差するように延びる隆起した部分またはうねで互いに接触し、したがって、それらは互いにほぼ点状にのみ接触するようにされる。これらのシート層は、第２の厚さを有するシート層であって、複数の接続点において、関連する材料を密着させる手順によって互いに、好ましくは互いにはんだ付けされて、接続される。このようにして、ハニカム本体を安定させる、３次元の格子状壁部構造が形成される。
本発明に従ったハニカム本体の利点は、格子状の壁構造に対して、第２の厚さのシート層が延びない方向に作用する力を、その力がどの場所にかかろうとも、その格子状壁部構造によって、取除くことが可能であることである。
本発明に従ったハニカム本体のさらなる利点は、好ましい振動特性を有することである。格子状構造は、その安定した構造により、振動に対して耐性があるが、さらに、薄いシート層を有する領域における、ハニカム本体の軸方向の長さに対して垂直に延びる、振動の長さを減じることもできる。この振動の長さは、ハニカム本体の使用目的に合せることができる。ただし、ハニカム構造に共鳴振動が誘導されないように注意しなくてはならない。
本発明に従ったハニカム本体の展開例において、ハニカム本体の内部における通路壁部表面の大半部分は、第２の厚さのシート層よりむしろ第１の厚さのシート層から形成されており、ここで、第１の厚さは第２の厚さの少なくとも２０％薄い。
ハニカム本体の１実施例において、第１の厚さは、１５μｍから５０μｍの間、好ましくは、約２０〜３０μｍである。
ハニカム本体の有利な展開例において、ハニカム本体はチューブ状ケーシングを有し、その内部にシート層が配されている。ここで、格子状の構造は、ケーシングと接続する複数の場所を有し、その各場所において、第２の厚さを有するシートメタル層のうち少なくともそれぞれ１枚が、チューブ状ケーシングに接続されている。この構成は、チューブ状ケーシングおよび格子状構造を含む安定したユニットを提供することができる。この構成の有利な展開例は、２つのケーシング接続場所が、格子状構造によって互いに接続されるものである。
本発明に従ったハニカム本体の１実施例は、少なくとも一部分は構造が設けられたシート層である重ねられたおよび／または巻かれるかもしくは渦状に巻かれたシート層で、流体がそれを通じて流れることが可能であり、かつ実質的に平行に延びて互いに対してほぼ閉鎖された、複数通路を形成することができる。ここで、その構成は、第２の厚さのシート層を有し、これを使用して格子状構造が形成される。該第２の厚さのシート層は、複数接続場所において、関連する材料を密着させる手順、好ましくははんだ付けによって、第２の厚さの別の少なくとも１枚のシート層に接続され、および／または、第２の厚さの別のシート層に融合する。換言すれば、互いに融合するシート層は、同じシートの別の部分同士であると言える。この実施例は、らせん構造に巻かれたハニカム本体、Ｓ字形に構築されたハニカム本体、および、積み重ねられたおよび／または巻かれたシート層を有する先行技術において公知のハニカム本体の他の実施例を含む。この実施例の代替的な形状において、格子状構造は第１の厚さの１または複数のシートから形成され、これは、関連する材料を密着させる手順によってそれに接続されたシートストリップによって、複数部分が強化されている。これら強化部分は、第２の厚さの通路壁部を形成する。
さらなる実施例において、格子状構造は、第２の厚さの隣接する複数のシート層を有し、それらは各対につき複数の接続場所を有する。該シート層の少なくとも１層は、構造が設けられたシート層である。
１展開例において、該格子状構造は、ハニカム本体の断面から見て、２またはそれ以上のシート層を有して、渦状腕のように延びる線にほぼ沿って、好ましくは伸開線にほぼ沿って、延びる。さらに別の実施例において、該ハニカム本体は、断面で、複数の格子状構造の渦状腕を有する。該渦状腕は、らせんの核領域において互いに接続されており、該渦状腕は好ましくは、そのらせんの核において、互いの間にほぼ等しい角度を含む。ここで、その角度は、らせんの核の中心と、該渦状腕が該らせん核に取付けられる点とを結ぶ、線と線との間で測定される。渦状腕、らせんの核、および選択的に、渦状腕の外端に接続されたチューブ状ケーシングが、それらの間に第１の厚さを有する通路壁部が配される、安定した骨組み構造を形成する。この展開の代替的な形状においては、該渦状腕の内端は、らせんの核によって互いに接続されず、それに代えて、互いに直接接続されている。この場合、該渦状腕は、渦状腕の接続領域の近辺に中央点を有する各想像円を、その周縁線を渦状腕で切断することにより、ほぼ同サイズの複数部分へと分割する。
さらなる実施例においては、該ハニカム本体は、シート層のスタックを有しかつそのスタックが互いに巻付けられた、ＥＰ ０ ４３６ ５３３ Ｂ１号に記載のものと同様の構造を有する。ここで、該格子状の構造は、そのスタックのほぼ中央に配置されている。１展開例においては、該スタックは、複数の格子状構造をさらに含み、好ましくは、該格子状構造の間にシート層が同じ数ずつ配置されるようにされる。
本発明に従ったハニカム本体の実施例を、図面に関連して以下に記載する。これらの実施例は例示のためのものであって、該発明はこれらに限定されるものではない。図中：
図１は、部分的に構造が設けられたシート層が互いに巻付けられたスタックを有する、ハニカム本体の断面図である。
図２は、らせん状に巻かれたシート層を有する、ハニカム本体の断面図である。
図３から図５は、隣接するシート層を有する格子状構造を、輪郭で示す図である。
図１は、滑らかなシートメタル層１７と構造が設けられたシートメタル層１８とが互いに交互に配されて互いに巻付けられたスタックを有する、本発明に従ったハニカム本体１を示す。該スタックは、そのほぼ中央に、２つの隣接するシート層３から作られた、複数の接続場所５を有する格子状構造４を含む。これらのシート層３は、第２の厚さｂを有するシート層である。他の巻付けられるシート層は、第１の厚さａを有するシート層２である。該スタックは、チューブ状ケーシング６の内部に配され、格子状構造４は、ケーシング接続場所８において、チューブ状ケーシング６にはんだ付けされる。このチューブ状ケーシング６と格子状壁構造４との間の１または複数のはんだ付け接続は、好ましくは、（図示しない）チューブ状ケーシングの軸方向の長さの１または複数の部分のみにわたって延びる。これにより、チューブ状ケーシング６および壁構造が、熱によって、異なる長さに変化することが許されるようになる。第１の厚さａのシート層２および第２の厚さｂのシート層３は、それらの接続場所のうちすべてまたはいくつかにおいて、互いにはんだ付けすることができる。
図２は、巻かれるかまたは渦状に巻かれたシート層２、３が、断面においてほぼ伸開線に沿って延びる、ハニカム本体２１を示す。ハニカム本体２１の中央軸のほぼ上には、中空の円柱の形をしたらせん核７が配置され、その核７にシート層２、３が接続されている。ハニカム本体２１は、２つの格子状壁構造１４を有し、それらは断面において、渦状腕のような線を辿る。それらは各々、３つのシート層３から作られており、そのうち２層は滑らかで、その間に、構造が設けられた層を有する。それら２つの格子状壁構造１４は、ハニカム本体２１の中央軸に対して、互いにほぼ対称に配される。らせん核７におけるそれらの間の角αは、したがって、ほぼ１８０°である。
図３〜５は各々、どちらも第２の厚さである少なくとも１枚の滑らかなシート層１７と構造が設けられたシート層１８とを有し、かつ、複数の接続場所５を有する、格子状構造４の一部分を示す。図３の格子状構造４は、三角形に境界が定められた通路９を含む。図４の通路９は、断面がほぼ三角形である。通路９のこの例において、２本の破線で示されるのは、２つの滑らかなシート層１７の間に延びる波形のシート層１８に沿った直線である。２つの滑らかなシート層１７のうち、少なくとも１層は第２の厚さを有する。第２の厚さのシート層１７、１８は、材料を密着させる手順によって、複数の接触場所において互いに接続されている。図４における第２の滑らかなシート層１７が第１の厚さのシート層である場合、それは好ましくは、構造が設けられたシート層１８に対する複数の接触場所において、密着させる方法によって、該構造が設けられたシート層１８にもまた接続される。図５は、台形の断面積を有する通路９を示す。破線は、構造が設けられたシート層１８の格子状壁部分がそれに沿って延びる方向を示し、これら格子状壁部分が、２つの滑らかなシート層１７を互いに接続する。２本の破線は、内角βを有して、格子セル９の外側で交差する。図５はまた、角βに等しい対角β’を示す。これらの破線から、基本的には三角形の断面を有して、構造に安定性を与える、格子構造を見ることが可能になる。
以上に例示したように、本発明に従ったハニカム本体の実施例は、先行技術において公知のハニカム本体と同様の構造を有し、わずかに修正を加えるのみで、先に知られているハニカム本体と同じプロセスで製造することが可能である。したがって、格子状構造を有するハニカム本体を、ほぼ同じコストで製造することが可能となり、しかも、より薄いシート層を使用することができるようになるか、または、先行技術において公知のハニカム本体よりも高度の安定性を有するようになる。
参照符号のリスト
１ ハニカム本体
２ 第１の厚さのシート層
３ 第２の厚さのシート層
４ 格子状構造
５ 接続場所
６ チューブ状ケーシング
７ らせんの核
８ ケーシング接続場所
９ 通路
１４ ３つのシート層を有する格子状構造
１７ 滑らかなシート層
１８ 構造が設けられたシート層
２１ 伸開線格子状構造を有するハニカム本体
ａ 第１の厚さ
ｂ 第２の厚さ
α 角度
β 内角
β’ 内角に対応する、対角

Claims (7)

1. 積重ねられたおよび／または巻かれたシート層（１７；１８）を有し、少なくとも一部分は構造が設けられたシート層（１８）で構成されて通路が設けられた、ハニカム本体（１；２１）であって、
   該シート層（１７；１８）の一部分は第１の厚さ（ａ）でありかつ該シート層（１７；１８）の一部分は該第１の厚さ（ａ）よりも厚い第２の厚さ（ｂ）であり、
   該ハニカム本体（１；２１）がその内部に格子状構造（４；１４）を含み、該格子状構造（４；１４）は少なくとも第２の厚さ（ｂ）の２つの互いに接続されたシート層（１７；１８）から形成され、
   該ハニカム本体（１；２１）の内部における通路壁部のより多くの部分は、該第２の厚さ（ｂ）のシート層（３）よりはむしろ該第１の厚さ（ａ）のシート層（２）で形成され、かつ、該第１の厚さ（ａ）が１５μｍと５０μｍとの間の値を有し、
   さらに、その内部にシート層（１７；１８）が配されるチューブ状ケーシング（６）を含むとともに、前記格子状構造（４；１４）が複数のケーシング接続場所（８）を含み、該複数のケーシング接続場所（８）の各場所において、第２の厚さ（ｂ）のシート層（１７；１８）の少なくとも１層が、該チューブ状ケーシング（６）に接続されることを特徴とする、ハニカム本体。
2. 該第２の厚さ（ｂ）は該第１の厚さ（ａ）よりも少なくとも２０％厚いことを特徴とする、請求項１に記載のハニカム本体。
3. 該第１の厚さ（ａ）が、２０〜３０μｍであることを特徴とする、請求項１または２に記載のハニカム本体。
4. 該格子状構造（４）の少なくとも１つの構造が設けられたシート層（１８）が、波形のシート層であって、その波形の頂部の少なくとも１部分が、第２の厚さ（ｂ）を有する隣接する滑らかなシート層（１７）に接続されることを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載のハニカム本体。
5. 該格子状構造（１４）が、断面で、渦状腕の態様で伸開線に沿って延びることを特徴とする、請求項１から４のいずれかに記載のハニカム本体。
6. 該ハニカム本体（２１）が、複数の渦状腕の格子状構造（１４）を有し、かつ、該格子状構造（１４）が、らせんの核（７）の領域において互いに接続されており、該格子状構造（１４）は、それらの間に、該らせんの核（７）において等しい角度（α）を含むことを特徴とする、請求項５に記載のハニカム本体。
7. 前記シート層（１７；１８）が互いに巻付けられたスタックを有し、前記格子状構造（４）が前記スタックの中央に配置されることを特徴とする、請求項１から４のいずれかに記載のハニカム本体。

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