JP4256681B2 - 放射ヒータを用いた金属製ハニカム体の製造方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、軸線に対してほぼ平行に延びる通路を有するハニカム構造を構成するために、少なくとも部分的に構造化された金属箔が積層および／または巻回され、少なくとも部分的に外管内に挿入され、少なくとも部分範囲が相互に接合技術により結合される金属ハニカム体の製造方法に関する。さらに、本発明は、この方法を実施するのに特に適した金属ハニカム体の製造装置に関する。このような金属ハニカム体は例えば内燃機関の排気ガスを浄化するための触媒担体として使用される。

公知のハニカム体、特に金属の触媒担体は、例えば螺旋状またはＳ字状に巻かれた薄い肉厚の平坦なおよび／または波形の薄板箔を備えたハニカム構造を有し、このハニカム構造は円筒状または楕円円筒状の外管内において、溶接、ろう付け、焼結、接着などの接合技術により相互に結合されている。

このようなハニカム体の熱変化負荷に対する耐久性を高めるために、単に、定められた部分範囲において、例えば端面側において、ハニカム構造の薄板箔を接合技術により相互に結合すること、場合によっては外管とも結合することは既に公知である。こうすることによって、外管およびハニカムに対して熱的負荷が発生した場合にも良好な伸張能力が存在し、それによって、ハニカム構造の破壊および剥離の結果をともなうハニカム構造の塑性変形が回避される。

さらに、外管内に配置されたハニカム構造を端面側で接合技術により結合するために、接合技術による結合を高温炉内で数時間持続する断続的なプロセスにて行なう方法が知られている。個々のハニカム体は炉内へ集合的に装入される。例えば、特に薄板箔の表面における望ましくない結晶形成または酸化のような化学反応を避けるために、炉内における接合プロセスは、例えばアルゴンおよび／または水素を含む保護ガス雰囲気下または真空下で行なわれる。これは、特に比較的高い装置費用、従って高コストを招く。

さらに、薄板箔の接合技術による結合の発生に誘導コイルが使用される連続的な方法が公知である。誘導コイルは、少なくとも、最終的に薄板箔の接合技術による結合が行なわれるべき部分範囲を加熱するという責務を持ち、この部分範囲の加熱によって、例えばこの部分範囲に配置されたろうが流れ始め、冷却後この種の結合が発生する。その場合、誘導コイルは、接合技術による結合の方式に関係して、異なる交流電圧周波数で駆動され、ハニカム体の相応の部分範囲に比較的ぴったり近づけられなければならない。これは、その都度の部分範囲に接合技術による結合の不均一な形成をもたらすことがある。

そこで、本発明の課題は、製造すべき接合技術による結合の品質が改善されるように、特に連続的な製造に適した金属ハニカム体の製造方法を提供することにある。さらに、本発明はこの方法を実施するのに特に適した金属ハニカム体の製造装置を提供するものである。

この課題は、本発明によれば、請求項１の特徴による方法および請求項１８の特徴による装置によって解決される。方法もしくは装置の好ましい実施態様はそれぞれの従属請求項に記載されている。

本発明による金属ハニカム体の製造方法は、
通路を有するハニカム構造を構成するために、少なくとも部分的に構造化された金属箔が積層および／または巻回されるステップ、
少なくとも１つの放射ヒータにより通路の開放端面から金属箔が加熱され、その場合にハニカム構造の少なくとも１つの部分範囲が、この部分範囲が５秒〜３０秒後に８００℃〜１２００℃の温度を有するように加熱されるステップ、
少なくとも１つの部分範囲において金属箔相互が接合技術により結合されるステップ、
を有する。

部分範囲を特に１０秒以下の時間でかつ特に約１０５０℃の温度で加熱すると好ましいことが実験により証明された。この高い温度および予め定め得る部分範囲の的確な加熱での短い加熱時間により非常に効率的で省エネルギーの方法が提供される。これは、特に金属ハニカム体の流れ作業生産つまり大量生産に適しているという利点を有する。

さらに、ハニカム構造の加熱のために、指向性の赤外線加熱放射を発生する放射ヒータが使用され、少なくとも１つの部分範囲の外側付近に明確な温度差が生じさせられる。ほぼ平行な赤外線加熱放射により空間的に非常に強く限定された熱導入は、非常に均一に分布した熱エネルギーをもたらし、従って加熱された部分範囲内に結合の非常に均一な形成をもたらす。従って、本発明による方法により、金属箔の高品質の"接合技術による結合"を有するハニカム体が製造され、しかもこの加熱プロセスは少ない時間ですむ。

本発明による方法の他の構成によれば、ハニカム構造は軸線にほぼ平行に延びる通路を有し、加熱放射はハニカム構造の端面に、ハニカム構造が通路の軸線方向長さよりも小さい軸線方向深さを持つ部分範囲でのみ加熱されるように向けられる。これは、例えば端面近くでのみ相互に結合されている金属箔を有するハニカム体の製造を可能にし、しかも、金属箔相互の熱膨張補償が保証される。端面とは、この関係では、通路の端面が主として配置されている平面を意味する。

本発明による方法の他の構成によれば、金属箔は加熱前に少なくとも部分的に外管に挿入され、相互に接合技術により結合され、続いて全体的に外管に挿入され、複数の金属箔が外管に接合技術により結合される。この場合、例えば異なる放射ヒータを使用することができ、少なくとも金属箔相互の結合時に、部分範囲での熱容量の比較的均一な分布が保証される。従って、この結合のために、次に続く外管とハニカム構造との結合形成時よりも若干低いエネルギーの放射ヒータを使用することができる。

本発明による方法の他の構成によれば、加熱前に外管内への金属箔の全体の挿入が行なわれ、その場合に外管は特にハニカム構造の端面から突出する。これは、接合技術による結合の形成後に金属箔を外管に対して相対的に動かす必要がないという利点を有する。

本発明による方法のさらに他の構成によれば、金属箔は加熱前に内管の外側に、金属箔が内管に対してほぼ直角方向に延びる通路を形成するように配置され、複数の金属箔が内管に接合技術により結合される。従って、例えば半径方向に通流可能なハニカム体の製造方法も提供され、この方法においては、内管は側面に開口を有し、この開口を通して、中心に流路を有する内管が、半径方向に外に向けられた通路へガスを流出させるか、またはその逆方向にガスを通す。

ハニカム構造の部分範囲に接する外管または内管の部分が同時に加熱され、場合によっては誘導作用による加熱により加熱される。このようにして、複数の金属箔と外管もしくは内管との間に接合技術による結合が形成される。この結果、１つのステップで金属箔相互の接合技術による結合の形成が行なわれると共に金属箔と外管もしくは内管との接合技術による結合の形成が行なわれ、それによって特に製造時間が短縮される。しかしながら、外管もしくは内管が共に加熱されるべきであるならば、場合によっては定められた温度に到達するまでの加熱時間を延長することができることを考慮すべきである。これは、金属箔と外管もしくは内管との熱容量が異なることに起因する。

本発明による方法のさらに他の構成によれば、ハニカム構造の少なくとも１つの端面が全体的に予め定め得る深さまで加熱される。これによって、金属箔の端面側での完全な結合がもたらされる。従って、例えば端面側に配置されている金属箔端部が排気ガス流内で発生する圧力変動によって振動を起こされることが防止される。このような振動により場合によっては隣接した“接合技術による結合”が機械的な連続負荷に起因して剥離することがある。それゆえ、ハニカム構造の端面全体に亘って金属箔相互の“接合技術による結合”を形成することは、例えば排気ガス系統において触媒担体として使用されるハニカム体の寿命を高める。

ハニカム構造が軸線に対してほぼ平行に延びる通路を有する場合、本発明による方法の他の構成によれば、加熱される部分範囲の深さが変えられ、特にハニカム構造の半径方向に外側に配置された部分範囲が、半径方向に内側に配置された部分範囲よりも大きい深さまで加熱される。半径方向に通流可能なハニカム体の構成に関して、もちろん、ハニカム体の軸線方向および／または周囲方向における相応に変化する深さも可能である。このようにして、例えばハニカム体と外管もしくは内管との間の結合が金属箔相互の“接合技術による結合”よりも安定に仕上げられることを達成できる。

本発明による方法の他の構成によれば、加熱放射は少なくとも一方の端面に１０°〜８０°の範囲内の角度で当てられる。この選ばれた角度はハニカム構造が加熱される深さに作用する。１０°よりも小さい角度では、加熱放射が端面の比較的大きな部分範囲に広がる。これは放射ヒータによって生ぜしめられる熱エネルギーが広い部分範囲に分配され、それによって単位面積当たりのエネルギー注入が減少し、加熱プロセスが遅くなる。８０°よりも大きい角度は同様に避けるべきである。というのは、この場合には加熱放射つまり熱エネルギーの大部分が直接にハニカム構造を通り抜け、金属箔の加熱に利用されないからである。さらに、角度選択時には端面の外側形状を考慮すべきである。隣接する金属箔が部分的に相互にずらされて配置されている金属箔のはめ込み式配置の場合、例えばはめ込みの種類に応じて比較的大きいかもしくは比較的小さい角度が使用されるべきである。これに対して、ほぼ平らな端面の場合、３０°〜６０°の範囲内の角度が好ましい。

本発明による方法のさらに他の構成によれば、ハニカム体が加熱中に少なくとも１つの放射ヒータに対して相対的に運動させられる。このようにして、空間的に限定された加熱放射を送出する放射ヒータにより、場合によってはハニカム構造の大きな部分範囲も、特にハニカム構造の端面全体が加熱されることが達成される。方法の変形例によれば、ハニカム体の軸線を中心にして少なくとも１つの放射ヒータの相対的な回転運動が行なわれ、この場合にもハニカム構造の大きな面積の均一な加熱が保証される。

好ましくは、ハニカム体と少なくとも１つの放射ヒータとの間の相対的運動は、ハニカム体がそれ自体の軸線を中心に回転することによって、および／または少なくとも１つの放射ヒータの放射軸線とハニカム体の軸線との間の角度が変えられることによって生じさせられる。このようにして、加熱すべき部分範囲が突出している外管近くにあるのか、又は端面の中心に位置している部分範囲にあるのかには関係せずに、加熱放射がハニカム構造の所望の深さに浸透することが保証される。

本発明による方法のさらに他の構成によれば、接合技術による結合は、ろう付け、焼結および／または拡散溶接によって行なわれる。接合技術による結合の形成のための加熱の前に、ろう、拡散媒体等を部分範囲内に配置すると特に好ましい。ろう付けによって接合技術による結合を形成すると好ましく、この場合には加熱前にろうが部分範囲内に配置される。それによって、接合技術による結合の形成に必要である温度は比較的低く保たれ、結合の形成に要する工程時間を比較的少なくすることができる。

接合技術による結合の形成時に特に高い温度(特に１０００℃以上)が発生する場合、この結合を保護ガス下で形成すると好ましい。これには、アルゴンを成分に含んだ公知の保護ガスが適している。

本発明の他の観点によれば、特に本発明による方法により金属ハニカム体を製造する製造装置が提案される。この製造装置は、加熱過程中にハニカム体を位置決めするための位置決め面と、放射軸線を有する少なくとも１つの放射ヒータとを備えている。この製造装置は、位置決め面と放射ヒータの放射軸線とが１０°〜８０°の角度をなすことを特徴とする。放射ヒータは、特に、放射ヒータが位置決め面上に固定されたハニカム体の端面に１０°〜８０°の角度で照射するように構成されている。放射ヒータは、接合技術による結合を形成するためにハニカム体の部分範囲を高速加熱することを可能にする。

ハニカム体の部分範囲のできるだけ均一な加熱を保証するために、位置決め面は角度を特に加熱過程中にも調整可能であるように揺動可能である。これは、少なくとも１つの赤外線放射ヒータが揺動可能であるようにした本発明による製造装置の他の構成によっても同様に達成することができる。

本発明による製造装置のさらに他の構成によれば、位置決め面と少なくとも１つの赤外線放射ヒータとの間の間隔は可変である。少なくとも１つの赤外線放射ヒータが位置決め面に対して相対的に予め与え得る軌道上で移動可能であると特に好ましい。このようにして、例えば、加熱される端面の異なる部分範囲において変化する深さに亘って、接合技術による結合が発生させられることが保証される。ハニカム体と少なくとも１つの赤外線放射ヒータとの多数の相対運動の重ね合わせに関しては、特に個々の運動を測定技術により検出すること、および／または特にコンピュータ制御される共通な制御ユニットにより座標化することによって、それらの運動を相互に同調させることがとくに好ましい。

本発明による製造装置のさらに他の構成によれば、位置決め面はハニカム体を固定するための保持手段を有する。それによって、少なくとも１つの赤外線放射ヒータに対するハニカム体の所望の位置決めが守られることが保証される。この種の保持手段は、位置決め面がベルトコンベヤの部分である場合には特に重要である。この種のベルトコンベヤは連続プロセスでの金属ハニカム体の製造を可能にし、これは、特に赤外線放射ヒータによるハニカム体の短い加熱時間によってもたらされる。

他の構成によれば、本発明による製造装置は加熱放射の向きを変えるすなわち反射するミラーを有する。この場合、金属箔によって既に反射された加熱放射部分が考えられる。従って、このようなミラーの使用は、赤外線放射ヒータから発生される加熱放射の改善された利用率をもたらす。もちろん、ミラーに直接に照射して加熱すべき部分範囲に向けることも可能であり、その場合ハニカム体の端面近くで例えば直接の放射軸線へ突出する突起または突出部を「迂回」することができる。

接合技術による結合が非常に高い温度で発生させられる場合のために、本発明による製造装置は局部的な保護ガス雰囲気を発生するための手段、特に容器を有する。この容器は、少なくとも、赤外線放射ヒータにより加熱されるハニカム体の部分範囲の近くの部分を包囲し、その際には直接の加熱放射の妨害を避けることができる。

以下において図面に基づいて本発明を更に詳細に説明する。さらに図面は本発明による装置の特に優れた実施例を示す。図１は製造されたハニカム体の実施例を示し、図２は本発明による装置の第１の実施例を示し、図３は本発明による装置の第２の実施例を示す。

図１は、積層されてＳ字状に巻回された金属箔２を有する金属ハニカム体１を概略斜視図で示す。ハニカム体１は通路５を有し、これらの通路は平坦な金属箔２および波形の金属箔２により形成されている。通路５および金属箔２は相応のハニカム構造３を形成する。ハニカム構造３は外管６によって包囲され、外管６はハニカム体１の端面７から突出している。通路５の個々の開放端面２６はほぼハニカム体１の平らな端面７に配置されている。

図示の金属ハニカム体１の製造は、例えば次のステップからなる。
軸線４（図示されていない）に対してほぼ平行に延びる通路５を有するハニカム構造３を構成するために、少なくとも部分的に構造化された金属箔が積層されかつＳ字状に巻回されるステップ、
金属箔２が外管６の中へ全体的に挿入され、その場合に外管はハニカム構造３の端面７から突き出ているステップ、
少なくとも１つの放射ヒータ８（図示されていない）によりハニカム構造３の端面７を全体的に加熱し、その際に加熱放射は通路５の開放端面２６に、ハニカム構造３の（通路５の軸線方向長さ１１よりも小さい）軸線方向深さ１０を持つ部分範囲９が、この部分範囲９が５秒〜３０秒後、好ましくは１０秒後には８００℃〜１２００℃の温度を有するように加熱されるように向けられるステップ、
金属箔２相互が接合技術により結合されると共に、金属箔２の半径方向１３の外側範囲と外管６とが接合技術により結合され、その際に接合技術による結合がろう付けによって行なわれるステップ。

図２は金属ハニカム体１の本発明による製造装置の第１の実施例を概略斜視図で示す。この製造装置は、加熱過程中にハニカム体１を位置決めするための位置決め面１６と、放射軸線１５を備えた赤外線放射ヒータ８とを有する。放射軸線１５と、位置決め面１６に対してほぼ平行なハニカム体１の端面７とは、少なくとも一時的に１０°〜８０°の角度１４をなす。ハニカム体１は保持手段１９により固定される。ハニカム体１の端面７における加熱放射の照射点に対する赤外線放射ヒータ８の距離１7は、予め定められた深さ１０までのハニカム構造３のできるだけ迅速な加熱が保証されるように選ばれている。

その場合、赤外線放射ヒータ８を軌道１８上でハニカム体１に対して相対的に移動させると特に好ましく、特に角度１４が変えられる。軌道１８は円形で示されているが、もちろん、特にコンピュータ制御された運動のもとでは任意の軌道１８が発生可能である。加熱放射の改善された利用のために、この装置は、場合によっては反射された加熱放射を再びハニカム構造３へ逆戻りさせるミラー２１を有する。このようにしてハニカム体１の部分範囲の非常に迅速な加熱を可能にすることから、接合技術による結合のこの種の形成法は連続的プロセスとして提供されている。位置決め面１６はここではベルトコンベヤ２０の一部である。

図３は、半径方向に貫流する金属ハニカム体１の本発明による製造装置の第２の実施例を示す。ハニカム体１は多層の構造化された金属箔２および平坦な金属箔２を有し、各金属箔２は中心に配置された内管２７に対してほぼ直角方向に延びる通路５つまり半径方向に外側に向けて延びる通路５を形成する。ハニカム体１は、保持手段１９により位置決め面１６に対して相対的に固定され、このハニカム体１は位置決め面１６を貫通して延びている。ハニカム体１は、内部に保護ガス雰囲気を形成するために用いられる容器２２によって包囲されている。このために、ノズル２３により、例えばアルゴンを含む保護ガスが、ハニカム体１の端面７から中心の内管２７の内部に供給され、再び通路５の開放端面２６から流れ出る。その場合に、赤外線放射ヒータ８により、接合技術による結合が保護ガス雰囲気内で発生する。このために、容器は放射軸線１５に沿ったハニカム構造３の妨げられない加熱を保証する開口２４を有する。その場合に、矢印２５は、ハニカム体１が例えば加熱過程中に回転することを示す。放射ヒータ８は、ハニカム体１の端面７に１０°〜８０°の範囲内の異なった角度で放射すると好ましい。このようにして、一様な加熱、従って高品質の“接合技術による結合”が保証される。さらに、図示された実施例は、ハニカム体１の両端面７を両側から同時に加熱する可能性を提供する。それによって、この種の金属ハニカム体１の製造時間を更に短縮することができる。

ハニカム体の実施例を示す概略斜視図 本発明による製造装置の第１の実施例を示す概略斜視図 本発明による製造装置の第２の実施例を示す概略斜視図

符号の説明

１ ハニカム体
２ 金属箔
３ ハニカム構造
４ 軸線
５ 通路
６ 外管
７ 端面
８ 放射ヒータ
９ 部分範囲
１０ 深さ
１１ 長さ
１２ 部分
１３ 半径
１４ 角度
１５ 放射軸線
１６ 位置決め面
１７ 間隔
１８ 軌道
１９ 保持手段
２０ ベルトコンベヤ
２１ ミラー
２２ 容器
２３ ノズル
２４ 開口
２５ 矢印

Claims (25)

1. 通路（５）を有するハニカム構造（３）を構成するために、少なくとも部分的に構造化された金属箔（２）が積層および／または巻回され、
   少なくとも１つの放射ヒータ（８）により指向性のあるほぼ平行な赤外線放射によって通路（５）の開放端面（２６）から金属箔（２）が加熱され、ハニカム構造（３）の少なくとも１つの部分範囲（９）が、この部分範囲（９）が５秒〜３０秒後に８００℃〜１２００℃の温度を有するように加熱され、前記指向性のあるほぼ平行な赤外線放射はハニカム構造（３）の少なくとも１つの端面（７）に１０°〜８０°の範囲内の角度（１４）で当てられ、
   少なくとも１つの部分範囲（９）において金属箔（２）相互が接合技術により結合される
   ことを特徴とする金属ハニカム体の製造方法。
2. ハニカム構造（３）の加熱のために、前記指向性のあるほぼ平行な赤外線放射を発生する放射ヒータが使用され、少なくとも１つの部分範囲（９）の外側付近に明確な温度差が生じさせられることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. ハニカム構造（３）は軸線（４）に対してほぼ平行に延びる通路（５）を有し、加熱放射はハニカム構造（３）の端面（７）に、ハニカム構造（３）が通路（５）の軸線（４）の方向の長さ（１１）よりも小さい軸線方向の深さ（１０）を持つ部分範囲（９）でのみ加熱されるように向けられることを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
4. 金属箔（２）は加熱前に少なくとも部分的に外管（６）内に挿入され、金属箔（２）が相互に接合技術により結合され、続いて全体的に外管（６）に挿入され、複数の金属箔（２）が外管に接合技術により結合されることを特徴とする請求項１乃至３の１つに記載の方法。
5. 外管（６）内への金属箔（２）の全体の挿入が行なわれ、外管（６）はハニカム構造（３）の端面（７）から突出することを特徴とする請求項４記載の方法。
6. 金属箔（２）は加熱前に内管（２７）の外側に、金属箔（２）が内管（２７）に対してほぼ直角方向に延びる通路（５）を形成するように配置され、複数の金属箔（２）が内管（２７）に接合技術により結合され、内管（２７）が側面に開口を有することを特徴とする請求項１乃至２の１つに記載の方法。
7. ハニカム構造（３）の部分範囲（９）に接する外管（６）または内管（２７）の部分（１２）が付加的に誘導加熱されることを特徴とする請求項４乃至６の１つに記載の方法。
8. ハニカム構造（３）の少なくとも１つの端面（７）が全体的に予め定め得る深さまで加熱されることを特徴とする請求項１乃至７の１つに記載の方法。
9. ハニカム構造（３）は軸線（４）に対してほぼ平行に延びる通路（５）を有し、加熱される部分範囲（９）の深さが変えられることを特徴とする請求項１乃至８の１つに記載の方法。
10. ハニカム体（１）が加熱中に少なくとも１つの放射ヒータ（８）に対して相対的に運動させられることを特徴とする請求項１乃至９の１つに記載の方法。
11. ハニカム体（１）の軸線（４）を中心にして少なくとも１つの放射ヒータ（８）の相対的な回転運動が行なわれることを特徴とする請求項１０記載の方法。
12. ハニカム体（１）が軸線（４）の周りを回転することを特徴とする請求項１０又は１１記載の方法。
13. 放射軸線（１５）とハニカム体（１）の軸線（４）との間の角度（１４）が変えられることを特徴とする請求項１０乃至１２の１つに記載の方法。
14. 接合技術による結合はろう付け、焼結および／または拡散溶接によって行なわれることを特徴とする請求項１乃至１３の１つに記載の方法。
15. 接合技術による結合の形成のための加熱の前に、ろう、拡散媒体等が部分範囲（９）内に配置されることを特徴とする請求項１４記載の方法。
16. 接合技術による結合が保護ガス下で形成されることを特徴とする請求項１乃至１５の１つに記載の方法。
17. 加熱過程中にハニカム体（１）を位置決めするための位置決め面（１６）と、放射軸線（１５）を有する少なくとも１つの赤外線放射ヒータ（８）とを備えた請求項１乃至１２の１つに記載の方法による金属ハニカム体の製造装置において、位置決め面（１６）と赤外線放射ヒータ（８）の放射軸線（１５）とが１０°〜８０°の角度（１４）をなすことを特徴とする金属ハニカム体の製造装置。
18. 位置決め面（１６）は角度（１４）を調整可能であるように揺動可能であることを特徴とする請求項１７記載の装置。
19. 少なくとも１つの赤外線放射ヒータ（８）は角度（１４）を調整可能であるように揺動可能であることを特徴とする請求項１７又は１８記載の装置。
20. 位置決め面（１６）と少なくとも１つの赤外線放射ヒータ（８）との間の間隔（１７）は可変であることを特徴とする請求項１７乃至１９の１つに記載の装置。
21. 少なくとも１つの赤外線放射ヒータ（８）は位置決め面（１６）に対して相対的に予め与える軌道（１８）上で移動可能であることを特徴とする請求項１７乃至２０の１つに記載の装置。
22. 位置決め面（１６）はハニカム体（１）を固定するための保持手段（１９）を有することを特徴とする請求項１７乃至２１の１つに記載の装置。
23. 位置決め面（１６）はベルトコンベヤ（２０）の部分であることを特徴とする請求項１７乃至２２の１つに記載の装置。
24. 加熱放射の向きを変えるミラー（２１）が設けられていることを特徴とする請求項１７乃至２３の１つに記載の装置。
25. 局部的な保護ガス雰囲気を発生するための手段（２２，２３）が設けられていることを特徴とする請求項１７乃至２４の１つに記載の装置。

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