JP4397526B2 - 少なくとも１つの金属シートを含む中間層を備えたハニカム体構成 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の分野】
この発明は、複数の層部分を含む中間層によって囲まれるハニカム体が中に配置されるハウジングを有するハニカム体構成に関する。このような構成は、特にセラミックハニカム体を備えた触媒コンバータのために、特に自動車の排気清浄システムに用いられる。
【０００２】
【発明の背景】
ドイツ実用新案第８０ １９ ８１３号では既に、ハニカム体がいわゆる膨潤マットに包まれ金属ハウジング内に配されるセラミックハニカム体のためのホルダが開示される。膨潤マットは膨張して、ハウジングおよびハニカム体の異なる動作特性および製造許容差によって生じるキャビティを充填でき、これによって長期にわたる動作において固定された支持効果を確実にすることができる。一般的に、膨潤マットは雲母の小片を含み、その周囲に空間があれば水分を吸収して膨張する。このような膨潤マットを安定化するため、上記の実用新案では膨潤マットに波形編みワイヤマットを一体化させることを提案している。ハニカム体の端部において膨潤マットが浸蝕されるのを防ぐために、気体封止リングが膨潤マットで充填される間隙を覆うようにハニカム体の端部に設けられる。
【０００３】
排気システム内のハニカム体が動作中９００℃以上の温度まで加熱され、ハニカム体構成の近傍に配置される構成要素をこの高熱から保護すべきである場合に、ハウジングとハニカム体との間に断熱性の中間層を設けることもまた公知である。
【０００４】
この断熱層は空気の層であってもよく、空気の熱伝導および熱対流特性が低いため、この空気の層はハニカム体構成の使用の際にハニカム体内に生じる高温化からハウジングを断熱する。
【０００５】
空気層によりもたらされる断熱の代わりに、またはこれに加えて、セラミック材料を含む中間層を設けることが公知である。この場合にもまた、使用されるセラミック材料の低い熱伝導および熱対流特性によってハニカム体からハウジングを断熱する。ハニカム体を保持するための上述の膨潤マットは、たとえば８００℃より上の非常に高い周囲温度で水分を放出し、これによって収縮することから、ハウジング内でハニカム体が緩くなることがあるため、負荷の大きいハニカム体構成によっては膨潤マットをハニカム体に対して断熱する必要がある。この目的のために、まずハニカム体に断熱材を設けて、そうして初めて膨潤マットで密閉することが既に知られている。
【０００６】
しかしながら、約６００℃より高い温度では、熱伝導および熱対流のみならず熱輻射によっても熱貫流が生じ、熱輻射は温度が高くなればなるほど程度が増加する。しかしながら、先行技術から公知である上述の断熱材および膨潤マットではこれに対してわずかにしか断熱効果が得られない。
【０００７】
公知のハニカム体構成のさらなる欠点としては、ハウジングとハニカム体との間に配置される断熱中間層がハニカム体構成の端部の領域において脈動する熱い排気ガスによって浸蝕されることが挙げられる。それ自体が非常に高い耐摩耗性を有するセラミック中間層でさえも動作中に脈動する排気ガス流によって磨耗するため、ハニカム体構成の長期にわたる動作においてはハニカム体とハウジングとの断熱が不都合に損なわれたり破壊されたりする。このことから、ハニカム体構成に損傷が生じたり、ハニカム構成全体の破壊にさえ繋がることがある。
【０００８】
【発明の概要】
上記に対し、この発明の目的は、ハニカム体からハウジングまたは膨潤マットへの熱輻射による熱貫流を低減し、また好ましくは、中間層の浸蝕を防ぐかまたはこれを少なくとも低減するハニカム体構成を提供することである。また、この発明の狙いは、このようなハニカム体構成を容易に製造できるようにする適当なサンドイッチ構造を提供することである。
【０００９】
この目的は請求項１に記載されるハニカム体構成および請求項１１に記載されるサンドイッチ構造によってそれぞれ達成される。有利な構成および展開がそれぞれの従属の請求項に記載される。
【００１０】
この発明によれば、中間層は少なくとも１つの金属箔またはシートを含む複数の層部分を含むため、熱輻射によるハニカム体からハウジングへの熱貫流は有利に低減される。また、この発明によれば、少なくとも１つのセラミック材料の層をも含む複数の層部分が設けられるため、ハニカム体構成は熱伝導および熱対流の点で良好な断熱特性を有する。このことは特に、セラミック材料の熱伝導率が非常に低いレベルである場合に当てはまる。
【００１１】
セラミック材料の層部分の少なくとも１つが膨潤マットであり水を吸収する際に膨張することによってその近辺のキャビティを閉じる場合、ハニカム体構成の製造の際に、ハウジングとハニカム体との間に残されるキャビティティまたは動作中に形成されるキャビティがいずれも有利に閉じられる。このことにより、ハニカム体が耐久性のある態様でかつ堅く定位置に保持される。
【００１２】
また、製造手順の観点から有利な中間層の一実施例は、層部分が金属シートの形態であるため、特に巻付けまたはコイル巻きによって単純な態様でハニカム体構成を製造できることからもたらされる。特に、その少なくとも１つの金属シートと少なくとも１つのセラミック層とを接合してサンドイッチ構造を形成する場合、中間層を単純な手順でハニカム体の周りに周方向に巻付けることができ、より特定的には好ましくは、少なくとも１回、または断熱の要求が高い場合には複数回巻付けてもよい。サンドイッチ構造における予め形作られたハーフシェル（half shell）部分の製造もまた可能な選択肢である。
【００１３】
この発明のさらなる有利な実施例によれば、ハニカム体の少なくとも一方端におけるその少なくとも１つの金属シートまたは箔がその端部における隣接するセラミック層を覆う。このことにより、特に、ハニカム体構成に流れ込む清浄化すべき脈動する熱い排気ガスに対して特に効果的に保護することができる。これは、もはや排気ガスが直接セラミック層に向かって流れることがなく、このためセラミック層の浸蝕を防ぐことができるためである。
【００１４】
この発明に従って提供される金属シートおよびこれに接続されていることがあるセラミック層は有利に、構造物、特に波形のしわであるコルゲーション（corrugation）を含む。これにより好都合に、弱い力で金属シートをハニカム体の周方向に曲げることが可能となる。
【００１５】
この発明のさらなる特徴、利点および構成は等縮尺ではない図面に関連して以下に説明する。
【００１６】
【詳細な説明】
等縮尺ではない概略部分断面斜視図として示される図１を参照して、この発明によるハニカム体構成１が示される。ハニカム体３は通路６を有し、通路６は隔壁４および隔壁５によって互いに分離され、その中を流れ方向Ｓへ内燃機関からの流体、好ましくは排気ガスが、流れる。好ましくは、ハニカム体は押出セラミックハニカム体を含み、特にいわゆる薄壁セラミックを含む本体を含む。この種類のセラミックハニカム体も薄い金属シートで作られたハニカム体も、管状ケーシング２に堅く装着しなけらばならず、さらに、この管状ケーシングに対して断熱しなければならない。この実施例では、上述の装着および断熱は、セラミック材料の断熱層部分８と、金属箔またはシート９と、好ましくは膨潤マットであるセラミック材料のさらなる層部分１０とによってもたらされる。これらの３つの層部分はともに中間層７を形成し、これは一方ではハニカム体を管状ケーシング２において固く保持すると同時に、他方では非常に良好な断熱をもたらす。断熱性層部分８はまず、ハニカム体から金属シート９への熱伝導および対流を防ぐ。また、金属シート９が熱輻射に対して輻射遮蔽として作用するため、自動車の排気システムにおけるハニカム体構成の動作において、セラミック材料の層部分１０は既にハニカム体３自体より温度がかなり低い。このことから、膨潤マットをセラミック材料の層部分１０として用いる際に、たとえば、特に内燃機関の出口近くに配置される触媒コンバータなどの、排気清浄装置の場合に生じるようなハニカム体構成の非常に高い動作温度が許容される。ハウジング２は概して０．５から１ｍｍの厚さであり、金属シート９は好ましくは非常に薄い箔またはシートであり、特に５０μより薄い厚さのものであり、好ましくは３０μよりも薄いことを指摘すべきであろう。金属シート９は特に、高温腐蝕に耐える材料を含んでいなければならず、特にクロムおよびアルミニウム含有鋼である。セラミック材料の層部分８および１０は典型的には、セラミックハニカム体を支持するためのものとして先行技術で公知であるように繊維マットであり、これはハウジング２およびハニカム体３に関して製造許容差を補償するのに必要な厚さのものであり、これらを長期にわたる動作において固く支持する。また、熱輻射に対して断熱性を向上するために径方向に連続する複数の金属シートおよび複数の層部分を設けてもよいことを指摘すべきであろう。
【００１７】
図２もまた、ハニカム体構成の縦断面図の一部によって、この発明による単純なハニカム体構成の径方向構造を示す。内側から外側へ連続して、ハニカム体３、セラミック材料の断熱層部分８、金属シート９、膨潤マット１０およびハウジング２が示される。
【００１８】
図３は、ハニカム体構成の縦断面図の一部によって、ハニカム体の端部の領域におけるこの発明の好ましい実施例を示す。公知であるように、脈動する熱い排気ガスによってセラミック材料、特に繊維マットおよび膨潤マットなどが浸蝕され得るため、この発明によるハニカム体構成の一方端または好ましくは両端部においてこれに対する防護をもたらす必要がある。これは、従来の構成の場合と同様に、ハウジングにおける保護リングまたは段によって達成できる。しかしながら、この発明によれば別の非常に望ましい解決策があり、これはすなわち、金属シートを端部保護手段としてセラミック材料の隣接する層部分の周りに折込むことである。図３の実施例では、初めに金属シート１１をハニカム体３の周りに巻付け、その周りにセラミック層部分８を配置し、次に再び金属シート９を配置し、次にセラミック材料のさらなる層部分１０を配置する。この発明によるこの構成では、金属シート９および金属シート１１の端部１２および端部１３がそれぞれ対応の隣接するセラミック層８およびセラミック層１０の周りに折込まれる。このような構成は最も単純な状況で製造することができ、まず、セラミック材料の層部分８および層部分１０を越えて端部において突出する金属シート９および金属シート１１をハニカム体３の周りに巻付け、次に突出端部１２および突出端部１３を適当な工具によってセラミック材料の層部分８および層部分１０の周りに折込むといった手順によって製造することができる。この場合、この発明の実施例に示されるように、金属シート９および金属シート１１の端部１２および端部１３がハウジング２の下に折込まれるような態様でこの折込み動作を行うことができる。しかしながら、ハウジング２を隣接する排気システムに接合するための溶接継目に端部１２および端部１３を組込むこともまた可能である。
【００１９】
中間層７として用いられる層部分がそれぞれサンドイッチ構造１７および２７として予め製造されることはこの発明によるハニカム体構成の製造にとって特に望ましい。
【００２０】
この点に関する一実施例が図４に示される。この場合、セラミック材料の断熱層部分８は、たとえば接着によって金属シート９の一方の側に配置される。金属シート９の他方の側には膨潤マットが配置され、金属シート９の端部１４は膨潤マット１０の周りに折込まれる。このような構成はハニカム体の周りに巻付けることができ、または既に円筒形状または長円形に予め製造されていてもよい。断熱層部分８が長いセラミック繊維を含む場合、脈動する排気ガスによる浸蝕の影響をさほど受けないため、膨潤マット１０を金属シート９の折りかぶせた端部１４によって保護することで十分である。
【００２１】
図５では、たとえば円筒体の周りに巻付ける際の柔軟性を向上するために端部１５において折込まれた金属シート９を備えたサンドイッチ構造の可能な構成が示される。金属シート９は非常に薄いシートまたは箔であるが、これから形成される折りかぶせた端部を備えたサンドイッチ構造は比較的硬くなる。再び柔軟性を取り戻させるため、サンドイッチ構造全体を波形ロール構成によって造ってもよく、これによって図５には非常に誇張された形で示されているコルゲーション１８をもたらす。柔軟性をもたらすには非常に浅く延在するコルゲーションで十分である。この場合、金属シート９の折りかぶせた端部１５は端部１６において平たく潰される。サンドイッチ構造２７および金属シート９の内部に配置される膨潤マット１０に属するセラミック材料の層部分８により、サンドイッチ構造２７のコルゲーション１８がわずかなものであるのにもかかわらず、排気ガスが流れることのできる通路がハニカム体３の外部に形成されることはない。
【００２２】
この発明は、特に、自動車のエンジンに隣接する領域における排気触媒コンバータのためのハニカム体構成に適している。この状況では、この発明により、特に薄い壁を備えた金属またはセラミック製のハニカム体の堅い装着が可能となり、同時に、ハニカム体のそのハウジングに対する良好な断熱がもたらされる。好ましい利用分野としては、壁の厚さが１００μより薄い、好ましくは５０μより薄い、いわゆる薄壁セラミックを含むセラミックハニカム体に対するハニカム体構成が挙げられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の第１の実施例の一端部に対する部分断面斜視図である。
【図２】 図１に示される実施例の一部の縦断面図である。
【図３】 ハニカム体構成の一端部の領域におけるさらなる実施例の縦断面図である。
【図４】 この発明によるサンドイッチ構造の部分断面斜視図である。
【図５】 この発明による波形サンドイッチ構造の部分断面斜視図である。
【符号の説明】
１ ハニカム体構成、２ ハウジング、３ ハニカム体、４，５ 隔壁、６ 通路、７ 中間層、８ セラミック材料の断熱層部分、９ 金属シート、１０ セラミック材料の層部分，膨潤マット、１１ 金属シート、１２，１４ 金属シート９の折りかぶせた端部、１３ 金属シート１１の折りかぶせた端部、１５ 波形サンドイッチ構造２７における金属シート９の折りかぶせた端部、１６ サンドイッチ構造２７の平たく潰れた端部、１７，２７ サンドイッチ構造、１８ コルゲーション、Ｓ 流れ方向。

Claims (14)

1. 中間層（７）によって囲まれるハニカム体（３）が中に配置されるハウジング（２）を有するハニカム体構成（１）であって、前記中間層（７）は、少なくとも１つの金属シート（９；１１）およびセラミック材料の少なくとも１つの層（８；１０）から形成される複数の層部分（８；９；１０）を含み、
   少なくとも前記１つの金属シート（９；１１）は、クロムおよびアルミニウムを含有する鉄合金を含むとともに、５０μｍより薄い厚みを有し、前記ハニカム体（３）の少なくとも一方端において、その端部におけるセラミック材料の少なくとも１つの隣接する層（８）の表面に接してこれを覆うように形づくられ（１２；１３；１４）、
   さらに、前記少なくとも１つの金属シート（９；１１）は、セラミック材料の隣接する層（１０；８）の周りに端部において折込まれる（１２；１３；１４；１５）、ハニカム体構成（１）。
2. 前記中間層（７）は、金属シート（９；１１）の少なくとも１つの層部分およびセラミック材料の少なくとも２つの層部分（８；１０）を含む、請求項１に記載のハニカム体構成（１）。
3. セラミック材料の少なくとも１つの前記層部分（８；１０）は、水分を吸収する際に膨張することによって隣接するキャビティを閉じることができる膨潤マット（１０）である、請求項１または２に記載のハニカム体構成（１）。
4. セラミック材料の少なくとも１つの前記層部分（８）は熱伝導率が非常に低いレベルである、請求項１から３のいずれかに記載のハニカム体構成（１）。
5. セラミック材料の前記層部分（８；１０）は少なくとも１つの繊維マットから形成される、請求項１から４のいずれかに記載のハニカム体構成（１）。
6. 少なくとも１つの金属シート（９；１１）およびセラミック材料の少なくとも１つの層（８；１０）を接合してサンドイッチ構造（１７；２７）を形成し、前記サンドイッチ（１７；２７）が前記ハニカム体（３）の周りに周方向に少なくとも１回巻きつけられる、請求項１から５のいずれかに記載のハニカム体構成（１）。
7. 前記サンドイッチ構造（１７）は、少なくとも、断熱材であるセラミック層（８）、金属シート（９；１１）および膨潤マット（１０）を、内側から外側へこの順序で含む、請求項６に記載のハニカム体構成（１）。
8. 形作られた領域（１２；１３；１４；１５）を含むすべての金属シー
   ト（９；１１）と、前記金属シート（９；１１）に接合されサンドイッチ構造（１７；２７）を形成し得るセラミック材料のすべての層（９；１０）に、前記金属シート（９；１１）が前記ハニカム体（３）の周方向に低いレベルの力で曲げることができるような構造物（１７）であるコルゲーション（１８）を設ける、請求項１から７のいずれかに記載のハニカム体構成（１）。
9. 少なくとも１つの金属シート（９；１１）およびこれに接合される断熱性繊維材料（８）でできたセラミック層を含む、請求項１から８のいずれかに記載の特にハニカム体構成（１）のためのサンドイッチ構造（１７；２７）。
10. 少なくとも１つの金属シート（９；１１）と、前記金属シート（９；１１）の一方の側の断熱性繊維材料のセラミック層（８）と、前記金属シート（９；１１）の他方の側の、膨潤材料を含む繊維材料の層（１０）とを含む、請求項９に記載のサンドイッチ構造。
11. セラミック層（８；１０）と交互に複数の金属シート（９；１１）を有する、請求項９または１０に記載のサンドイッチ構造。
12. 前記金属シート（９；１１）の厚さは３０μより薄い、請求項９から１１のいずれかに記載のサンドイッチ構造。
13. 少なくとも一つの前記金属シート（９；１１）は、少なくとも１つの隣接するセラミック層（８；１０）の周りに折込まれる（１２；１３；１４；１５）、請求項９から１２のいずれかに記載のサンドイッチ構造。
14. 前記サンドイッチ構造はそれ自体が、前記ハニカム体（３）の周りに容易に巻付けられる構造で、かつ、排気ガスが通ることのできる通路が前記ハニカム体（３）の外部に形成されない態様の構造を有する、請求項９から１２のいずれかに記載のサンドイッチ構造。

Images