JP4358520B2 - 摺動構造を備えた金属薄板箔、ハニカム体、およびそれを製造するための方法 - Google Patents

Description

この発明は、金属薄板層を含む金属製ハニカム体のための金属薄板箔に関する。この種の複数の金属薄板箔は、粉末状のはんだを用いて接合されてハニカム体を形成する。この発明は、また、特に内燃機関の排気システム内の触媒担体としてのハニカム体に関する。このハニカム体は、流体が中を流れることのできる通路を形成するように巻かれおよび／または積み重ねられた、少なくとも部分的に構成された金属薄板層を含み、金属薄板層は、粉末状のはんだによって少なくとも部分的に互いに接合されている。この発明は、また、ハニカム体を製造するための方法に関する。

巻かれおよび／または積み重ねられてハニカム構造を形成する複数の金属薄板箔を有する金属製ハニカム体を用いることは、特に自動車産業で用いられるスパーク点火エンジンまたはディーゼル機関の排気システムにおける触媒担体の形として公知である。金属薄板箔は、はんだ材料を用いて互いに接合されて、排気システム内で受ける熱的および動的な荷重下においてもハニカム体の構造上の整合性を確保する。線材状またはリボン状のはんだ材料に加え、はんだ材料として粉末状のはんだを用いることもできる。

ハニカム体の長期にわたる機能性を確保するために、排気システム内の金属製ハニカム体の据付は、ハニカム体の構成要素が、必要な場合に、熱膨張率の異なる程度に耐え得るようなものでなければならない。このことは、特にハニカム体を取巻く筒状ケーシングに接合されている金属薄板箔に関し、特に重要である。このため、排気ガスの入口側から２０ｍｍの領域上に好ましくは配置される軸方向の下位領域においてのみ、ハニカム体を筒状ケーシングに接合することが公知である。このようにして、筒状ケーシングにハニカム体が接合されていない下位領域において、急速に加熱して急速に冷却する金属薄板箔と筒状ケーシングとの間の相対動作が確保され、熱応力の発生を防ぐ。この場合、製造中に、接合領域に関する所望の限度を正確に守り得ることが特に重要である。このことは、線材状またはリボン状のはんだ材料を用いる場合には大きな問題を呈しない。はんだ材料がある程度まで確実に付着しあうためである。

しかしながら、粉末状のはんだ材料を用いた製造方法を考えた場合、特に連続生産または大量生産において十分な製法の信頼性の程度を保ちながら、厳密に区切られかつ規定された使用領域を確保することが、これまで不可能であった。その根本的な理由とは、特に、金属薄板箔が巻かれおよび／または積み重ねられる前に、粉末状のはんだを固着させるために用いられる接着剤が、接合領域に塗布されることである。特に、金属薄板箔を巻く動作中に、接着剤が局所的に付着し、および／または、接着剤による著しく増大した摩擦により、巻きまたは積み重ねのエラーが生じる。その結果、はんだの付着が望ましくないハニカム体の領域、特に、以前に規定された接合領域の外部を含む領域にはんだが付着してしまう。

この点に関して研究した結果、この発明の目的は、規定された接合領域を備えたハニカム体を製造するのに適切な金属薄板層を含んで、上述の製造技術の問題が解消された、金属製ハニカム体のための金属薄板箔を提供することである。さらに、ハニカム体を提供することと、ハニカム体の金属薄板箔間の予め定められた接合領域における接合部の形成に関して製法の信頼性が著しく高められた、ハニカム体を製造するための方法を提供するこ
ととが意図される。

これらの目的は、請求項１の特徴に従った金属箔、請求項９の特徴に従ったハニカム体、および請求項１２の特徴に従った方法によって達成される。対応する従属請求項には、さらに有利な構成を記載する。

この発明に従った金属薄板箔は、隣接する金属薄板層が互いに重なって摺動することを可能にする少なくとも１つの摺動構造を有するという点によって他と区別される。この金属薄板箔は、特にハニカム体を製造するために用いられ、この種の複数の金属薄板箔が粉末状のはんだを用いて接合されている。金属薄板箔と金属薄板層との間に画した区別に関しては、金属薄板層が、摺動構造を有するおよび／または有さない金属薄板箔を含み、それによって一種の上位概念を形成することに注目されたい。

摺動構造は、たとえば、隣接する金属薄板層間の予め定められた距離を確保した状態での、金属薄板箔上の棒材および／またはスタッドの形状の隆起として設計される。隣接する金属薄板箔が実質的に少なくとも１つの摺動構造によって互いに接触するために、金属薄板層が広い表面積にわたって互いに重なって摺動することを防ぐ。これにより、巻きおよび／または積み重ねの動作中に生じる摩擦力が、特に、接着剤が既に付けられた金属薄板箔に関して著しく減じられる。その結果、たとえば、金属薄板箔を巻くおよび／または積み重ねる動作に関し、ハニカム体を形成するのに必要とされる力を減じることができる。加えて、この対策により、既に塗布された接着剤の付着を防ぐことができる。

この場合に、少なくとも１つの摺動構造が、隣接する少なくとも１つの金属薄板層を取付けるための接合領域を区切ることが特に有利である。少なくとも１つの摺動構造は、好ましくは０．０７ｍｍ以下の構造高さを有し、特に０．０５ｍｍ未満の構造高さしか有しない。少なくとも１つの摺動構造によって接合領域を区切ることにより、接着剤および／またははんだの一種の溜まり場が形成され、所望の接合領域を超えて接合部が形成されることを防ぐ。この場合の正確な構造高さは、用いられるはんだ材料、特にその平均粒径を考慮して選択されるべきである。さらに考慮すべきであるのは、たとえば、後の巻き動作を妨げるおそれのある、金属薄板箔の著しい構造上の強化を防ぐことである。

金属薄板箔のさらなる構成によると、少なくとも１つの摺動構造が、端側面付近に、好ましくは端側面から１０ｍｍ、特に５ｍｍの距離以内に配置される。金属薄板箔の端側面がハニカム体の端面を最終的に形成することをかんがみて、少なくとも１つの摺動構造をそれに対応して設計することにより、形成されたハニカム体が内燃機関の排気システム内で用いられる場合に、金属薄板箔がガスの入口側付近で互いに接合されることを可能にする。このガスの入口側には、通常、最大の熱的荷重が生じ、規定された接合部がこの位置において特に重要であることを意味する。

この場合、少なくとも摺動構造が金属薄板箔の幅全体に連続して、好ましくは端側面とほぼ平行に延びることが有利である。このようにすると、間隙の入口側付近のハニカム体のディスク様領域において、しかるべき場合に、いかなる間隙もなく接合領域を区切ることができる。この場合、この「ディスク」における摺動構造は、また、強化作用をわずかに有し、そのために、０．０８ｍｍ未満または０．０５ｍｍ未満、特に０．０３ｍｍ未満の厚さの金属薄板箔であっても、大きな動的荷重のかかる排気ガス浄化システム内で用いることが可能となる。

さらに別の有利な構成によると、少なくとも１つの摺動構造は、スタッドの形状で設計される。摺動構造のスタッド様の形状は、それが金属薄板箔の幅全体に連続して延びない
ことを意味する。スタッド様の摺動構造の形成は、摺動構造の形成によって生じる圧力損失に関して特に有利である。この圧力損失は、金属薄板箔の幅全体に延びる摺動構造よりも、スタッド様の摺動構造において小さくなる。

さらに別の構成によると、摺動構造は、同じ材料で形成された隣接する金属薄板層に対する摺動に関し、０．１５未満、特に０．１未満の滑り摩擦係数を有する摺動面を有する。この場合に、少なくともこの摺動面に潤滑剤を与えることが特に有利である。この種の低い滑り摩擦係数を有するか、または、対応する潤滑剤が与えられた、摺動面の実施例により、確実に、巻き動作が破損なしに行なわれ、および／または、隣接する金属薄板層が妨げられることなく互いに重なって摺動することができる。

この発明のさらなる局面は、特に内燃機関の排気システムにおける触媒担体としてのハニカム体を提案し、このハニカム体は、流体が中を流れることのできる通路を形成するように巻かれおよび／または積み重ねられた、少なくとも部分的に構成された金属薄板層を含む。金属薄板層間の接合部が粉末状のはんだを用いて製造されることを考慮して、これらの金属薄板層は、少なくとも１つの摺動構造を備えた少なくとも１つの金属薄板箔を有する。この場合に、互いに隣接して配置された金属薄板箔の少なくとも１つの摺動構造が、ハニカム体の端面からほぼ同じ軸方向の距離で配置されることが特に有利である。これにより、特に、ハニカム体の端面に平行であってディスク形状である、明確に規定された接合領域が生じる。その結果、熱的荷重の変動によって生じるハニカム体の熱膨張または熱収縮を、予め正確に定めることができ、接合部は、ハニカム体の構造上の整合性が長期間にわたって確保されるように設計されることが可能になる。

さらなる構成によると、それぞれ２つの直接隣接する金属薄板箔のそれぞれ１つの摺動構造が、互いに対向するように設計される。その結果、２つの隣接する箔の摺動構造が、互いの上に直接配置されて、少なくとも部分的に、粉末状のはんだ材料を固着させるための一種の溜まり場を形成する。このことは、摺動構造の構造高さを減じることができるという利点を有する。なぜなら、隣接する金属薄板箔の構造高さは最終的に累積するためである。この場合に、金属薄板箔の各々が、双方向の摺動構造を有しおよび／または異なる方向に延びる摺動構造を有することもまた有利であることが考えられる。その結果、金属薄板箔の有利な摺動摩擦特性が、隣接する金属薄板箔のすべてに関して確保され、はんだおよび／または接着剤の溜まり場が、両側で形成される。

ハニカム体を製造するための、この発明に従った方法は、以下の、
−隣接する少なくとも１つの金属薄板層および／または金属薄板箔を取付けるための接合領域を区切る少なくとも１つの摺動構造を有する、滑らかな、構成された金属薄板層および／または金属薄板箔を生成するステップと、
−少なくとも１つの摺動構造によって区切られた接合領域に接着剤を塗布するステップと、
−ハニカム体を形成するために、金属薄板層および／または金属薄板箔を積み重ねおよび／または巻くステップと、
−粉末状のはんだを用いてハニカム体をはんだ付けするステップとを含み、はんだは、接着剤によって接合領域に固着され、この方法はさらに、
−金属薄板層および／または金属薄板箔間においてはんだ付けされた接合部を生成するために、ハニカム体を加熱するステップを含む。

ハニカム体の好ましい実施例において、滑らかな、構成された金属薄板層のすべては、少なくとも１つの摺動構造を備えた金属薄板箔として設計される。これにより、金属薄板層を積み重ねるおよび／または巻くのに必要とされる力が減じられる。また、これにより、潤滑剤の付着を防ぎ、明確に規定された接合領域が形成される。したがって、粉末状の
はんだを用いたときでも、たとえば線材状またはリボン状のはんだ材料を用いたときとちょうど同じように、ハニカム体の残りの領域からの区切られ方が正確な接合領域を得ることができる。

次に、図面に示された特に好ましい実施例を参照して、この発明をより詳細に説明する。

図１は、流体が中を流れることのできる通路１３を形成するように巻かれおよび／または積み重ねられた、少なくとも部分的に構成された金属薄板層３を含む金属製ハニカム体２の正面図を概略的に示す。金属薄板層３は、筒状ケーシング１８によって取囲まれた波形のおよび滑らかな金属薄板箔１を含む。この種のハニカム体２は、特に自動車で用いられる内燃機関の排気システムにおける触媒担体として用いられる。

図２は、少なくとも部分的に構成された金属薄板層３を含むハニカム体２のさらなる実施例の概略的な斜視図を示す。示されたハニカム体２を製造するために、まず、隣接する少なくとも１つの金属薄板層３または金属薄板箔１を取付けるための接合領域５を区切る少なくとも１つの摺動構造４を備えた、滑らかな、および波形の金属薄板層３および金属薄板箔１を生成する。次に、摺動構造４によって区切られた接合領域５に、接着剤１７（図示せず）が塗布される。次に、金属薄板層３および金属薄板箔１が積み重ねられて巻かれ、ハニカム体２を形成する。粉末状のはんだ１９（図示せず）をハニカム体２に塗布する間に、はんだ１９は、接着剤１７を用いて接合領域５に固着され、金属薄板層３と金属薄板箔１との間のはんだ付けされた接合部が、ハニカム体２を後に加熱するステップによって生成される。

示されたハニカム体２の実施例において、互いに隣接して配置された金属薄板箔１の摺動構造４は、ハニカム体２の端側面（Stirnseite）１６から同じ距離１５に配置され、この距離１５は、軸１４の方向に規定される。この種のハニカム体２が内燃機関の排気ガス浄化システムで用いられていることから、浄化されるべき排気ガスが、好ましくはその周辺領域にディスク形状である接合領域５が配置されている端側面１６を介して入る。このようにして、この領域のハニカム体２にかかる、最大限の熱的および動的な荷重が極めてよく補償され、ハニカム体２の下流にある領域の一部が、熱的荷重の変動の結果、実質的に自由に膨張および／または収縮することを可能にする。

図３は、隣接する金属薄板層３が互いに重なって摺動することを可能にする２つの摺動構造４を備えた金属薄板箔１の概略的な斜視図を示す。金属薄板箔１は、摺動構造４が、隣接する金属薄板層３に取付けるための接合領域５を区切るように構成される。この場合、摺動構造４は、端側面７の周辺部、好ましくは端側面７から５〜１０ｍｍの距離１５内にあるように配置される。この場合、摺動構造４は、金属薄板箔１の幅９の全体に連続して延び、端側面７とほぼ平行に配置される。

金属薄板箔１の厚さ１０は、好ましくは０．０５ｍｍ未満になるように設計される。この種の複数の金属薄板箔１は、後の積み重ねおよび／または巻きの動作の後に、好ましくは螺旋状にＳ字型または内旋形に組合されて、ハニカム体２を形成する。

図４は、２つの隣接する金属薄板箔１の概略的な詳細図を示す。金属薄板箔１の各々は、摺動面１１を備えた２つの摺動構造４を有し、摺動構造４は、各々が互いに対向するように方向付けられる。その結果、上に示された金属薄板箔１の摺動構造４が、下に示された金属薄板箔１の摺動構造１１の上に配置される。隣接する金属薄板箔１が互いに重なって摺動する間の摩擦力を減じるために、摺動面１１には潤滑剤１２が与えられる。

摺動構造４は、０．０７ｍｍ以下の構造高さ６を有する。示された摺動構造４の実施例において、一例として０．０３ｍｍ未満の構造高さ６を有する摺動構造４の設計が可能である。なぜなら、隣接する金属薄板箔１の構造高さ６がこの構成において累積するためである。

摺動構造４は、接合領域５を区切る。この接合領域５において、金属薄板箔１には接着層１７が設けられ、この接着層１７に対し、後にもたらされる粉末状のはんだ１９が付着する。この場合、構造高さ６は、接着剤１７および／またははんだ１９の粒子が剥がれ落ちるのを防ぐように選択される。このようにして、極めて明確に規定された接合領域５を生成することができる。

図５は、金属薄板箔１のさらなる例示的な実施例の概略的な斜視図を示す。スタッド形状の構造２０が、隣接する金属薄板層が上で摺動することのできる摺動構造として、端側面７に隣接して、この端側面７と平行に形成される。

図６は、図５の線ＶＩ−ＶＩ上の、金属薄板箔１の断面を示す。スタッド様構造２０は、金属薄板箔１の幅９の全体に連続して形成されていない。図７は、図５の線ＶＩＩ−ＶＩＩ上の、金属薄板箔１のさらなる断面を示す。スタッド様構造２０は、金属薄板箔１の端側面７から距離１５において形成されている。

金属製ハニカム体の平面図である。 金属製ハニカム体のさらなる実施例の概略的な斜視図である。 摺動構造を備えた金属薄板箔の概略的な斜視図である。 摺動構造を備えた隣接する金属薄板箔の詳細図である。 スタッド形状の摺動構造を備えた金属薄板箔のさらなる例示的な実施例の、概略的な斜視図である。 図５の線ＶＩ−ＶＩ上の断面を示す図である。 図５の線ＶＩＩ−ＶＩＩ上の断面を示す図である。

符号の説明

１ 金属薄板箔、２ ハニカム体、３ 金属薄板層、４ 摺動構造、５ 接合領域、６
構造高さ、７ 端側面、８ 距離、９ 幅、１０ 厚さ、１１ 摺動面、１２ 潤滑剤、１３ 通路、１４ 軸、１５ 距離、１６ 端面、１７ 接着剤、１８ 筒状ケーシング、１９ はんだ、２０ スタッド様構造。

Claims (11)

1. 金属薄板層（３）を含む金属製ハニカム体（２）のための金属薄板箔（１）であって、前記金属薄板層（３）は、滑らかな金属薄板箔（１）および波形の金属薄板箔（１）を含み、この種の複数の金属薄板箔（１）を粉末状のはんだ（１９）を用いて接合して、前記ハニカム体（２）を形成することができ、前記金属薄板箔（１）は、隣接する金属薄板層（３）が互いに重なって摺動することを可能にする少なくとも１つの摺動構造（４）を有し、前記摺動構造（４）は、線状に延びるかまたは部分的に形成される隆起からなるとともに、隣接する少なくとも１つの金属薄板層（３）を取付けるための接合領域（５）を区切る、金属薄板箔（１）。
2. 前記少なくとも１つの摺動構造（４）は、０．０７ｍｍ以下の構造高さ（６）を有することを特徴とする、請求項１に記載の金属薄板箔（１）。
3. 前記少なくとも１つの摺動構造（４）は、端側面（７）付近に配置されることを特徴とする、請求項１または２に記載の金属薄板箔（１）。
4. 前記少なくとも１つの摺動構造（４）は、前記金属薄板箔（１）の幅（９）の全体に連続して、前記端側面（７）とほぼ平行に延びることを特徴とする、請求項１から３の１つに記載の金属薄板箔（１）。
5. 前記金属薄板箔（１）は、０．０８ｍｍ以下の厚さ（１０）を有することを特徴とする、請求項１から４の１つに記載の金属薄板箔（１）。
6. 前記少なくとも１つの摺動構造（４）は、同じ材料で形成された前記隣接する金属薄板層（３）に対する摺動に関し、０．１５未満の運動摩擦係数を有する摺動面（１１）を有することを特徴とする、請求項１から５の１つに記載の金属薄板箔（１）。
7. 前記少なくとも１つの摺動構造（４）は、摺動面（１１）を有し、少なくとも前記摺動面（１１）には潤滑剤（１２）が与えられることを特徴とする、請求項１から６の１つに
   記載の金属薄板箔（１）。
8. 内燃機関の排気システムにおける触媒担体としてのハニカム体（２）であって、流体が中を流れることのできる通路（１３）を形成するように巻かれおよび／または積み重ねられた、少なくとも部分的に構成された金属薄板層（３）を含み、前記金属薄板層（３）は、粉末状のはんだ（１９）によって少なくとも部分的に互いに接合され、前記金属薄板層（３）は、請求項１から７の１つに記載の少なくとも１つの摺動構造（４）を備えた少なくとも１つの金属薄板箔（１）を有することを特徴とする、ハニカム体（２）。
9. 互いに隣接して配置された金属薄板箔（１）の摺動構造（２）は、前記ハニカム体（２）の端面（１６）から同じ軸（１４）方向の距離（１５）に配置されることを特徴とする、請求項８に記載のハニカム体（２）。
10. それぞれ２つの直接隣接する金属薄板箔（１）の前記摺動構造（４）は、互いに対向するように配向されることを特徴とする、請求項８または９に記載のハニカム体（２）。
11. 請求項８から１０のいずれかに記載のハニカム体（２）を製造するための方法であって、
    −隣接する少なくとも１つの金属薄板層（３）および／または金属薄板箔（１）を取付けるための接合領域（５）を区切る少なくとも１つの摺動構造（４）を有する、滑らかな、および波形の金属薄板層（３）および／または金属薄板箔（１）を生成するステップと、
    −前記摺動構造（４）によって区切られた前記接合領域（５）に接着剤（１７）を塗布するステップと、
    −ハニカム体（２）を形成するために、前記金属薄板層（３）および／または金属薄板箔（１）を積み重ねおよび／または巻くステップと、
    −粉末状のはんだ（１９）を用いて前記ハニカム体（２）をはんだ付けするステップとを含み、前記はんだ（１９）は、前記接着剤（１７）によって前記接合領域（５）に固着され、前記方法はさらに、
    −前記金属薄板層（３）および／または金属薄板箔（１）間においてはんだ付けされた接合部を生成するために、前記ハニカム体（２）を加熱するステップを含む、方法。

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