JP4570249B2 - ダクトの数が変化するモノリシック金属ハニカム体 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の分野】
この発明は、内燃機関からの排気ガスを触媒変換するための触媒坦体として好ましくは用いられる、モノリシック金属ハニカム体、およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
このタイプのハニカム体は、たとえば、ＥＰ ０２４５７３７ Ｂ１およびＥＰ ０４３０９４５ Ｂ１に開示されたように、多数の設計で公知である。
【０００３】
また、最も効率的に排気ガスを制御するためには、流れの方向に直列に、複数のシート、また場合によっては構造またはサイズの異なる複数のハニカムも配置することが好ましいことも公知である。しかしながら、そのような本体はもはやモノリシックではなく、その結果、製造、ケーシングパイプへの組入れ、およびハニカム体の被覆においても、コストが高くなってしまう。したがって、波形の山または波形の谷の一部分を折返すことにより、金属ハニカム体の内部の流れの端縁を付加的に作製することが、たとえば、ＥＰ ０４８４３６４ Ｂ１に開示されている。ハニカム体の内部の流れの分布という点については、これは直列に配置された異なるサイズのダクトのシートと同様の効果を達成しているが、利用可能な触媒活性表面は同じままであり、そのため直列に配置された異なるサイズのダクトを備えたシートのすべての利点が実際に得られるわけではない。
【０００４】
また、米国特許第５５４９８７３Ａ号にもモノリシックハニカム体が開示されているが、このハニカム体は、シート状の金属層内のカットアウトのために、引込部では残りの部分よりもダクトの数が少なく、かつ熱容量が低くなってしまう。
【０００５】
ハニカム体がモノリシック体と呼ばれるためには、内部凝集を有していなければならない。ＥＰ ０５４３７７５ Ｂ１には、平坦なまたはダクトの寸法に対して一部構造化された（structured）シート状金属層によって内部凝集が達成されるモノリシックハニカム体が既に開示されており、ハニカム体内のシート状金属層の一部が、流れの進入口から流れの出口に連続的に延在している。このハニカム体は、断面積あたり異なる数のシート状金属層およびダクトを有する。すなわち、流れの方向に連続した異なるセクション内で異なるサイズのダクトを有する。ＥＰ ０５４３７７５ Ｂ１に開示されたハニカム体では、幅および寸法が異なる構造のシートからモノリシックハニカム体が構成されることで、ダクトの数を、したがって触媒活性表面積を好ましく変化させている。この発明は、この先行技術からさらに進歩している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
そのようなハニカム体の製造には比較的コストがかかる。なぜなら複数の異なる構造のシートを互いに上に重ね、かつ並べて層にする必要があるためである。そのような層の積重ねを扱うことは比較的困難であり、特に２つの固定点の最狭部の周りに、両端を備えた層を巻く際の扱いは非常に困難である。
【０００７】
この発明の目的は、製造が容易で、ダクトの数が変化し、かつセクションごとに熱容量が異なるモノリシックハニカム体の構造を特定し、また対応する製造の方法を作成することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この目的は、流れの進入口およびそこからある距離の流れの出口を備えた、それを通って流体が１つの方向に流れることができるモノリシックハニカム体によって達成される。それは層状に配置された少なくとも部分的に波形にされた金属シートを包含し、その構造は流れの方向にダクトの壁を形成し、流れの方向に連続した異なるセクションによってダクトの数が変化する。波形にされた金属シートの少なくとも一部が流れの進入口から流れの出口に延在することによって、本体の内部凝集が達成され、各々の金属シートは、少なくとも第１および第２の、寸法の異なる構造を有し、前記構造の少なくとも１つはただ１つのセクションにのみ延在する。
【０００９】
公知のモノリシックハニカム体に対して、平坦なまたはダクトの寸法に対しわずかに構造化されたシート状金属層によって（のみ）内部凝集が達成されるのではなく、その構造が流れの方向にダクトを形成する構造化金属シートによって（もまた）内部凝集が達成される。これにより本体の凝集が強化され、および／またはその製造が単純になる。なぜなら扱うべき個別の構造化シート状金属ストリップがより少なくなるためである。
【００１０】
好ましい実施例では、波形にされた金属シートの間に配置された、平坦なまたはダクトの寸法に対してわずかに波形にされた金属シートがハニカム体に提供される。平坦なまたはダクトの寸法に対してわずかに波形にされた金属シートは、ハニカム体の少なくとも１つのセクションに延在している。ハニカム体全体の長さに延在する平坦な金属シートもまた提供されてもよい。平坦なまたはダクトの寸法に対しわずかに波形にされたこれらの金属シートは、ハニカム体に内部の支持をさらに与えるため、ハニカム体のモノリシックの特性がより強化される。
【００１１】
さらに、ハニカム体の少なくとも１つのセクションに延在するさらなる構造化された金属シートを備えたハニカム体を提供することが望ましい。そのようなハニカム体は、異なる幅の金属シートから構成され、かつ寸法の異なる構造を備えて構成されるため、ダクトの数および触媒活性表面の面積も変化させることができる。追加の構造化された金属シートは流れの進入口から流れの出口に延在する金属シートの間に配置されることが好ましい。それらは後者の金属シートの間の間隔を占める。
【００１２】
追加の構造化された金属シートは、ハニカム体が流れの方向に常に断面を有するように好ましくは配置される。そのようなハニカム体は単純な設計のケーシングを必要とする。すなわち円形の断面を有するハニカム体の場合は、管状の設計であってもよい。
【００１３】
本体全体に延在する各々の構造化された金属シートは、共通の平面に対し対称に設計される構造を有することが好ましい。このような設計の金属シートから構成されるハニカム体は、その向きを考慮する必要がないため、扱いがより容易である。
【００１４】
また、ハニカム体は、その本体全体に延在する構造化された金属シートが、互いに間隔を空けて形成されかつ異なる寸法の隣接した構造の間を流れの方向に実質的に横断する物理的な分割線を有するハニカム体であることが望ましい。そのような金属シートの利点は、異なる寸法の隣接した構造の間に、突然の構造の変移があるという点にある。寸法が異なる構造の直線方向の長さは、物理的な分割線の長さと等しい。その構造は高さまたは形状が異なってもよい。
【００１５】
寸法が異なる隣接した構造間の接続は、物理的な分割線の間のセクションを介して維持される。２つの隣接した分割線の間のセクションは、隣接した構造の共通のフランク上に少なくとも部分的に存在する。その構造は、たとえば波打った、または曲がった形状を有してもよい。曲がった構造の場合、そのセクションは隣接した構造の共通のフランク全体に延在してもよい。異なる振幅の波打った形状を備えるように、その構造が設計される場合は、隣接した構造は勾配の等しいフランクを有することが望ましい。２つの物理的な分割線の間のセクションは前記共通のフランクの上に存在する。
【００１６】
共通のフランクの代わりに、２つの物理的な分割線の間のセクションは、隣接した構造は共通の山および／または谷を有してもよい。
【００１７】
複数の個別の金属シートから構成されるハニカム体の設計は公知である。また、ハニカム体全体が、ただ１つまたは２つの、螺旋に巻かれたまたは曲げて層にした金属シートを含む設計も公知である。請求項および説明においては、絡み合う（intertwine）という用語が総称的な用語として用いられているが、個別の金属シートが巻かれるのかまたは折り曲げられるか否かは重要ではない。また、構造化された金属シートが平坦なシート状金属層によって分離され、隣接する構造化された金属シートが互いにある角度で走る構造を代わりに有する設計に、この発明が用いられてもよい。
【００１８】
多くの適用例では、ハニカム体がその入口の部分よりも内部でより熱容量が高いことが望ましい。ハニカム体が内燃機関の排気システム内の触媒坦体として用いられる場合は、たとえば運転を中断した後エンジンを再スタートさせるとき、またディーゼルエンジンおよび希薄燃焼エンジンの場合に、その特性が高まり、比較的低温の排気ガスが触媒コンバータに到達する段階を伴う著しく動作が変動する状況下でさえ、連続して触媒変換が可能となる。この発明では、熱容量はシート状金属層の厚みの影響を受けるため、選択された部分での熱容量を増加させる目的で、追加のシート状金属層はその選択された部分で少なくとも部分的により厚く作られてもよい。
【００１９】
モノリシックハニカム体の製造には、その構造の形成の前または形成中に、流れの方向に対し実質的に横断する共通の想像線上の各々の金属シートに、相互に間隔を空けた物理的な分割線を組入れること、および線のいずれかの側の上に異なる構造を形成することが望ましい。異なる構造は連続してまたは同時に形成されてもよい。
【００２０】
分割線は切断により、金属シートに組込まれてもよい。そのような切断のプロセスはカッター、好ましくはロータリーカッターを用いて行なわれてもよい。さらに、物理的な分割線はレーザ切断のプロセスを用いて金属シートに形成される。
【００２１】
シート状の金属ストリップが、共通の軸の上に並んで設けられた２つの異なる波形のローラを通過すると、分割線および構造が同時に有利に形成されるであろう。
【００２２】
さらなる詳細および実施例は図を参照しながら以下に説明される。
図１は、この発明に従った、流れの進入口１および流れの出口２を備え、ケーシング１０により周囲を囲まれたハニカム体の実施例の斜視図を示している。ハニカム体全体に延在している構造化された金属シート１１から、ハニカム体はその内部凝集を得ている。図２、３および４に見られるように、構造化された金属シート１１は各々Ｓ字に形成されている。セクションＡ、Ｂ、Ｃにおいては、構造化された金属シート１１の各々は、７、８および９に示されたように異なる構造を有する。平坦な金属シート４は、構造化された金属シート１１の間に配置される。平坦な金属シート４とともに、構造７、８および９は各々、流れのダクト３を形成し、その断面はセクションＡ、ＢおよびＣで異なる。
【００２３】
図５は縦断面でのハニカム体の図を示している。平坦な金属シートは実線で示されている。図５の斜線は、波形の金属シートの構造を示している。
【００２４】
ハニカム体は３つのセクションＡ、ＢおよびＣを有する。断面積ごとのダクトの数は各々のセクションで異なる。セクションＡでは、流れの進入口１から流れの出口２に延在する構造化された金属シート１１は構造７を有し、その高さは続くセクションＢ、Ｃに対して最も高い。構造化された金属シート１１は、平坦な金属シート４によって互いから分離される。図５に示された実施例では、平坦な金属シート４は流れの進入口１から流れの出口２に延在する。これは、金属シート１１の間のセクションＢ、Ｃ内の構造の高さの合計がセクションＡ内の構造の高さ７と等しいためである。また、図５に見られるように、構造の高さは一点鎖線で示された平面１２に対して対称に延在する。追加の平坦なシート５および構造化された金属シート１３はセクションＢに配置される。構造化された金属シート１３および平坦な金属シート５はセクションＢにのみ延在する。構造化された金属シート１３は、連続する構造化された金属シート１１の構造８の間の中間のスペースを占める。
【００２５】
セクションＣでは、追加の平坦な金属シート６が構造化された金属シート１１、１４の間に配置される。
【００２６】
図６を参照すると、構造化された金属シート１１の斜視図が示されている。構造化された金属シート１１は波形の構造を有する。この波形はインボリュート歯形によって作られる。図６に見られるように、構造化された金属シート１１は第１の構造７を有し、その後に第２の構造８を有する。第１の構造７および第２の構造８では、その構造の高さならびに波形の山１７および波形の谷１８の間の間隔が異なる。第１の構造７の接続点１６Ａ、１６Ｂの間の直線方向の長さは、第２の構造８の直線方向の長さと等しい。第１の構造７および第２の構造８は、物理的な分割線１５によって互いに分離される。接続は共通のフランク１９においてなされる。接続点ではフランク１９の勾配は、第１および第２の構造７、８の両者の上で同一である。
【００２７】
図７はハニカム体のさらなる実施例の図である。図示されたハニカム体は２つのセクションＡ、Ｂを有する。図示されたハニカム体は、連続する構造化された金属シート２０、２１および２２を有する。構造化された金属シート２０、２１および２２は２つの構造７、８を有する。構造７は構造８よりもその寸法が大きい。
【００２８】
セクションＡには、追加の構造化された金属シート１３、１４が提供される。ハニカム体の流れの進入口のセクションＡは中心の部分を有し、そこでは外側の部分よりもダクトが大きい。この手段により、ハニカム体の流れの外側の部分において触媒活性表面が増加する。図７に見られるように断面積ごとのダクトの数は、流れの方向に対し横断する方向に変化させることもできる。構造化された金属シート２０、２１および２２は同一の設計である。図７に示された配置は、金属シート２２を、流れの方向に実質的に垂直である軸の周りに１８０°回転させることにより得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ハニカム体の斜視図である。
【図２】 図１に従った、線ＩＩ−ＩＩに沿った部分断面図である。
【図３】 図１に従った、線ＩＩＩ−ＩＩＩに沿った部分断面図である。
【図４】 図１に従った、線ＩＶ−ＩＶに沿った部分断面図である。
【図５】 図１に従った、ハニカム体の縦断面図である。
【図６】 構造化された金属シートの斜視図である。
【図７】 変更を加えたハニカム体のさらなる縦断面図である。

Claims (12)

1. 流れの進入口（１）および該進入口からある距離の流れの出口（２）を備え、前記進入口から前記出口へ流体が流れるように形成された、モノリシックハニカム体であって、
   層状に配置され、少なくとも部分的に波形にされた金属シート（１１、２０、２１、２２）を含み、その金属シートの構造が流れの方向にダクト（３）の壁を形成し、
   流れの方向に直列に設けられる異なるセクション（Ａ、Ｂ、Ｃ）内で前記ダクト（３）のサイズが異なり、
   波形にされた前記金属シート（１１、２０、２１、２２）の少なくとも１つの部分は流れの進入口（１）から流れの出口（２）に延在し、
   波形にされた前記金属シート（１１、２０、２１、２２）の各々は互いに寸法が異なりかつ互いに隣接する第１の波形構造（７）および第２の波形構造（８）を有し、
   前記第１および第２の波形構造（７，８）のうち少なくとも１つは、ただ１つのセクション（Ａ、Ｂ、Ｃ）にのみ延在し、
   前記第１および第２の波形構造（７，８）は、互いに隣接するそれぞれの端部において、流れの方向に対して横断する物理的な分割線（１５）をなし、
   互いに隣接する前記第１および第２の波形構造のそれぞれの前記分割線（１５）同士が、該分割線の山と谷との間のフランク部分の、互いに共通の勾配を有する位置において、または、前記分割線の共通の山もしくは谷において、互いに接続される、ハニカム体。
2. 波形にされた金属シート（１１、２０、２１、２２）の間に配置された、平坦なまたはダクト（３）の寸法に対してわずかに波形にされた金属シート（４、５、６）を備え、平坦なまたはダクト（３）の寸法に対してわずかに波形にされた金属シート（４、５、６）が少なくとも１つのセクション（Ａ、Ｂ、Ｃ）に延在することを特徴とする、請求項１に記載のハニカム体。
3. 少なくとも１つのセクション（Ａ、Ｂ、Ｃ）に延在する、さらなる波形にされた金属シート（１３、１４、１５）を含むことを特徴とする、請求項１または２に記載のハニカム体。
4. 前記進入口（１）から前記出口（２）に延在する波形にされた金属シート（１１、２０、２１、２２）の間の間隔を、さらなる前記波形にされた金属シート（１３、１４）が、少なくとも１つのセクション（Ａ、Ｂ、Ｃ）内で占めることを特徴とす
   る、請求項３に記載のハニカム体。
5. ハニカム体が流れの方向に常に断面を有するよう、さらなる波形にされた金属シート（１３、１４）が配置されることを特徴とする、請求項３または請求項４に記載のハニカム体。
6. 流れの進入口（１）から流れの出口（２）に延在する金属層（１１、２０、２１、２２）のそれぞれの構造（７、８）が、共通の平面（１２）に対し、対称に形成されることを特徴とする、請求項１から５のいずれかに記載のハニカム体。
7. 隣接する波形にされた金属シートが、互いに斜行しながら互いに摺動して入り込めない構造を有することを特徴とする、請求項１に記載のハニカム体。
8. 金属シートの少なくとも１つの部分が、金属シートの残りの部分よりも厚みがあり、内側のセクション（Ｂ）の追加の金属シートが、連続した金属シート（１１、２０、２１、２２）よりも厚みがあることを特徴とする、請求項１から７いずれかに記載のハニカム体。
9. 流体が１つの流れの方向に流れるモノリシックハニカム体を製造する方法であって、その中では１つまたはそれよりも多い金属シート内に波形構造が形成され、かつその金属シートは絡み合ってハニカム体を形成し、その構造は流れの方向にダクト（３）の壁を形成し、さらにこの方法は、
   流れの方向に直列に異なるセクションを形成する波形構造（７、８、９）を形成し、前記波形構造（７、８、９）においては、前記隣接するセクションのいずれかの側に高さが異なる波形構造（７、８、９）を組み入れ、
   隣接する波形構造（７，８）それぞれの互いに隣接する端部において、流れの方向に対して横断する物理的な分割線（１５）を、金属シートを切断し、金属シートに切り込みを入れることによって形成し、
   互いに隣接する前記波形構造のそれぞれの前記分割線（１５）同士が、該分割線の山と谷との間のフランク部分の、互いに共通の勾配を有する位置において、または、前記分割線の共通の山もしくは谷において、互いに接続されることを特徴とする、方法。
10. カッターで金属シート（１１，２０，２１，２２）に切り込みを入れることによって、前記分割線（１５）が組み入れられることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
11. 前記分割線（１５）が、レーザ切断によって金属シート（１１、２０、２１、２２）に組入れられることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
12. 軸上に並んで配置された異なる波形のローラを用いて金属シートを波形にすることにより、寸法の異なる構造および分割線が同時に形成されることを特徴とする、請求項９に記載の方法。

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