JP4776284B2 - 排ガス浄化用メタル担体構造 - Google Patents

Description

この発明は、自動２輪車等の排ガス浄化用触媒を担持するためのメタル担体に係り、特にその耐久性を向上させるための構造に関する。

排ガス浄化用触媒を担持するメタル担体として、金属ハニカム構造体を金属外筒内に圧入一体化したものがある。金属ハニカム構造体は金属製の平板と波板を重ねた積層板をロール状に巻回して複数層に形成したものであり、平板と波板の接合部をロウ付けして一体化してある。このロウ付け部の構造として、隣り合う各層で同じ位置に同長で設けたものや、共通の平板における表裏のロウ付け部位置を、メタル担体の軸方向へ完全にずらして重ならないようにすることにより、各層間で千鳥状に配置したものがある。
特許第２７０９７８９号公報

メタル担体は、排気振動が加わるため耐振動に優れたものであることが要求される。また、高温の排ガスに接触することより、冷熱サイクルに耐えるものであることも要求される。一方、排ガスの通気量を多くしつつ浄化効率を上げるためには、金属ハニカム構造体の空隙率を大きくして表面積を大きくしなければならないため、金属ハニカム構造体を構成する板材は可能な限り薄くする必要があるから、振動による応力集中を小さくしなければならない。さらに冷熱サイクルに耐える十分な接合強度を確保しつつ接合面積を小さくして高価なロウ付け材料の使用を少なくすることも必要である。

上記従来例では、ロウ付け方法の工夫により上記諸要請をある程度実現できるものの、各層の平板の同一面間では、ハニカム構造体の軸方向における各ロウ付け部の端部（以下、単にロウ付け部の端部という）が揃っているため、この揃った接合部と非接合部との境界部へ応力集中することになり、依然として応力集中が生じやすい構造のままである。また、平板の表裏間でロウ付け部全体を千鳥状にずらして配置すれば、ロウ付け量を節約できる反面、接合強度が不足し易くなる。
そこで本願発明は、耐久性をより向上させて上記各要請の実現を目的とする。

上記課題を解決するため本願の排ガス浄化用メタル担体構造に係る請求項１の発明は、平板と波板を重ねた積層板を巻回して複数層に形成した金属ハニカム構造体と、この金属ハニカム構造体の外周を囲む金属外筒を備え、金属ハニカム構造体を金属外筒内に圧入して接合した排ガス浄化用メタル担体において、
前記複数層をなす前記金属ハニカム構造体の出口側各層における平板と波板の接合部を軸方向へロウ付けするとともに、
このロウ付けされた部分であるロウ付け部は軸方向断面にて隣り合う各層間で重なり合う部分を有し、
さらに、前記各平板の同一面側における前記ロウ付け部の端部のうち少なくとも一部が各層間で不揃いに配置されていることを特徴とする。

また、前記金属ハニカム構造体の軸方向両端のうち、一端を前記金属外筒内の出口側と接合して固定端部にするとともに、他端を前記金属外筒の入り口側と非接合の自由端部とし、
前記金属ハニカム構造体の軸方向における前記ロウ付け部の両端のうち、前記不揃いの端部を前記自由端部側に位置させたことも特徴とする。

請求項２の発明は上記請求項１において、前記ロウ付け部のロウ付け長を、各層間で長短不揃いにしたことを特徴とする。

請求項３の発明は上記請求項１において、前記ロウ付け部を設けたロウ付け範囲長を、前記金属ハニカム構造体の全長に対して１／２以下としたことを特徴とする。

請求項１の発明によれば、複数層をなす各平板の同一面側におけるロウ付け部のうち、少なくとも一部の端部位置が各層間で不揃いにされているので、接合部と非接合部との各境界部が不揃いになる。このためこれらの境界部に発生する振動による応力位置が金属ハニカム構造体のより広範囲に分散され、金属ハニカム構造体の特定場所に対する応力集中を生じにくくすることができる。その結果、耐振動性を向上させて耐久性を向上させることができる。

また、金属ハニカム構造体の一端を金属外筒内の出口側と接合して固定端部とし、他端を金属外筒の入り口側と非接合の自由端部とするとともに、ロウ付け部の両端のうち前記不揃いの端部を自由端部側に位置させたので、より高温となる入り口側の熱変形を自由にし、ロウ付け部に対する影響を小さくできるので、冷熱サイクルに対する耐久性を向上できる。

請求項２の発明によれば、ロウ付け部のロウ付け長を、各層間で長短不揃いにしたので、端部の不揃い構造を簡単に実現できる。

請求項３の発明によれば、ロウ付け部を設けたロウ付け範囲長を、金属ハニカム構造体の全長に対して１／２以下としたので、個々のロウ付け部の長さを比較的短くしてロウ付けによる接合面積を小さくしても、高温となる入り口側の熱影響を受けにくくしつつ、全体におけるロウ付け範囲を十分に広げて全体の接合強度を十分に確保できる。このため、冷熱サイクルに対する耐久性向上とロウ付け量の節約によるコストダウンを同時に実現できる。

以下、図面に基づいて一実形態を説明する。図１は本願発明に係る自動２輪車等に用いられる排ガス浄化器を構成する触媒担持用メタル担体１の斜視図である。メタル担体１は、金属製の筒形ケース２にハニカム構造体３を圧入して接合一体化したものである。ハニカム構造体３には公知の貴金属からなる排ガス酸化触媒が担持され、入り口１ａから入った排ガスが、出口１ｂへ向かって軸方向へ流れながら触媒と接触して酸化されるようになっている。

図２は、ハニカム構造体３における出口１ｂ側端面の一部を拡大して示す図である。ハニカム構造体３は、金属製の平板４および金属製の波板５を重ね合わせて積層板とし（指示符号は一部だけに付し他は省略する。以下同じ）、この積層板をロール状に巻回して多層にしたものである。平板４及び波板５はいずれも極力薄くされたものであり、平板４と波板５の間に形成される軸方向の貫通空間による空隙率を大きくすることにより、ハニカム構造体３を多量の排ガスが接触しながら通過できるようにして、ハニカム構造体３の十分な表面積と十分な排ガスの通気量とを確保している。

波板５の頂部５ａは、平板４との各接触部をロウ付けによるロウ付け部６で接合されている。ロウ付け部６のうち、特に必要がある場合は、平板４の巻回時に外周側になる表面４ａとの接合部を表側接合部６ａとし、平板４の巻回時に内周側になる裏面４ｂとの接合部を裏側接合部６ｂとして区別する。

図３はメタル担体１のロウ付け構造に関する第１実施例に係る模式的な軸方向断面であり、便宜的に積層板を数層分巻回した状態で、かつ各層の表側接合部６ａが重なるように切断した断面で表示したものである。表側接合部６ａを塗りつぶしで表示し、裏側接合部６ｂは表側接合部６ａに対して相対的に周方向へずれる場合が多いため仮想線で示してある。

ハニカム構造体３の内部における平板４と波板５の各ロウ付け部６はそれぞれ、ハニカム構造体３の軸方向において中間部よりも出口側端部３ｂ寄りとなる範囲に形成され、出口側よりも高温になる入り口側端部３ａから離れて配置されている。各層のロウ付け部６は軸方向で同じ位置にあり、かつ両接合部の軸方向長さ（以下、単に接合長という）であるロウ付け長Ｌ１は全て同じ長さである。

隣り合う層間では、平板４の同一面（例えば、表面４ａ側）における各接合部（例えば、表面側接合部６ａ）が千鳥状をなすよう、互いに軸方向へずれて配置され、各接合部の各入り口側端部６ｃ及び出口側端部６ｄの位置がそれぞれ千鳥配置になっている。但し、同一面の各ロウ付け部６（例えば、表面側接合部６ａ）は軸方向で大部分が各層間で重なり合い、端部が不揃いになっているだけである。なお、各層間における各裏面側接合部６ｂの相互関係も表面側接合部６ａと同様である。

さらに、各ロウ付け部６の出口側端部６ｄは、ハニカム構造体３の出口側端部３ｂよりも入り口３ａ側へ向かって若干後退しており、ロウ付け時に溶けたロウ材が出口側端部から漏れ出さないようになっている。

ハニカム構造体３の出口３ｂ側外周面はケース２の出口側内周面へ外周接合部７にてロウ付け一体化され、出口３端部がケース２に対する固定端となっている。この外周接合部７のロウ付け長は、ロウ付け部６のロウ付け長Ｌ１よりも長くなっており、ハニカム構造体３をケース２へより強固にロウ付けしている。

一方、ハニカム構造体３の入り口３ａ側外周面はケース２に対して固定されず、ハニカム構造体３の入り口３ａ側における端部は自由端となっている。この自由端側すなわち入り口側となるロウ付け部６の入り口側端部６ｃは少なくとも、各層の同一面間で不揃いとなる端部をなす。すなわち、入り口側端部６ｃと出口側端部６ｄはそれぞれ各層間において不揃いであってもよく、また入り口側端部６ｃのみを各層間において不揃いにしてもよい。

ハニカム構造体３の軸方向における全長をＬ０とし、隣り合う層間におけるロウ付け部６のうち、入り口３ａ側へ最もずれて配置されているものの入り口側端部６ｃと、出口３ｂ側へ最もずれて配置されているものの出口側端部６ｄ間の寸法を全体ロウ付け長Ｌ２とすれば、
ロウ付け長Ｌ１の全長Ｌ０に対する比（Ｌ１／Ｌ０）が、０．１〜０．４５、
全体ロウ付け長Ｌ２の全長Ｌ０に対する比（Ｌ２／Ｌ０）を、０．１５〜０．５０程度とする。すなわちハニカム構造体３内における軸方向のロウ付け領域を、全長のうち出口３ｂ側寄り１／２以下とする。この関係は、表面側接合部６ａ及び裏面側接合部６ｂのそれぞれについて維持される。

図４はメタル担体のロウ付け構造に関する第２実施例に係る図３と同様の図であり、隣り合う層毎に、長短のロウ付け部６が配置される。その長さの長い方をＬ１ａ、短い方をＬ１ｂとする。各層間における接合部の軸方向端部は、長いもの同士及び短いもの同士でそれぞれ揃っている。この例においても各比Ｌ１ａ／Ｌ０又はＬ１ｂ／Ｌ０及びＬ２／Ｌ０は前実施例と同様である。

図５はメタル担体のロウ付け構造に関する第３実施例に係る図３と同様の図であり、各層毎のロウ付け部６はそれぞれほぼ同長のＬ１であるが、各ロウ付け部６の端部６ｃ及び６ｄの位置が層間で不揃いになるようにランダム配置される。また、個々のロウ付け部の長さも、Ｌ１ａ、Ｌ１ｂ、Ｌ１ｃ・・・と長短３種類以上に長さが異なるものの組合せとなっている。

図６はハニカム構造体３の製造装置の構成を示す図である。この製造装置は、スラリー供給部１０を構成する一対の対向配置された塗布ギヤ１１間へ波板５を送り、その表裏における各頂部５ａへ連続的スラリーを塗布し、その後、波板５の送り機構をなすアイドラー１２を介して巻回部１３にて平板４および波板５を重ね合わせてロール状に巻回してハニカム体３を形成するようになっている。但し、この状態ではロウ付けはされず、別工程にて、筒形ケース２へ圧入後、高温の加熱炉内でロウ付けしてメタル担体１となる。アイドラー１２としては、波板５の一面の頂部５ａに付着したスラリーに接触することを回避するために、ギヤもしくはスプロケットを用いることが望ましい。

図７はスラリー供給部１０を拡大して示す図である。各塗布ギヤ１１は巻回部１３側へ向かって移動する波板５に同期して回転するように軸１４で回転自在に支持される。塗布ギヤ１１は波板５を挟んでその両側に位置し、各ギヤの歯１５は波板５の凹凸に噛み合うとともに、対向する一対の塗布ギヤ１１が波板５を挟んで噛み合うようになっている。

両塗布ギヤ１１の各歯底部１６には、各塗布ギヤ１１の上方からスラリー供給手段１７によりスラリー１８がそれぞれ供給される。塗布ギヤ１１の回転により、スラリー１８が供給された歯底部１６に波板５の頂部５ａが噛み込まれると、歯底部１６のスラリー１８が頂部５ａへ転写されて塗布される。スラリー１８はろう材およびバインダーを含み、バインダーとしては、たとえば水溶性の熱硬化性液体プラスチックスを好適に用いることができる。

スラリー供給手段１７は、電磁弁１９によりスラリー１８の供給・停止を切換えるようにして塗布ギヤ１１の外周上方に対向して配置されるノズル２０と、電磁弁１９のオン・オフタイミングを定めるために塗布ギヤ１１の一側面に設けられた複数の突起２１と、それらの突起２１を検出して電磁弁１９のオン・オフを切換える検出器２２とを備える。

各突起２１は、塗布ギヤ１１が備える各歯底部１６の全てにスラリー１８を供給する場合には、塗布ギヤ１１の各歯部もしくは歯底部１６相互の間隔に対応して塗布ギヤ１１の一側面に設け、各歯底部１６のうち選択されたものへ間欠的にスラリー１８を供給する場合には、そのスラリー供給タイミングに応じた間隔を相互間にあけて設けられる。

さらに、本実施例におけるスラリー供給手段１７は、ノズル２０が軸１４の軸方向と平行に移動してスラリー１８の塗布範囲を変化可能になっている。すなわち隣り合う歯底部１６毎に、軸１４の軸方向における異なる２位置で交互にスラリー１８を軸方向各同長で供給すれば、図３に示すような千鳥配置のロウ付け部６を形成するための塗布パターンとなる。

また、隣り合う歯底部１６毎に、軸１４の軸方向における異なる２位置でかつ異なる軸方向長さで交互にスラリー１８を供給すれば、図４に示すようなロウ付け長が長短２様かつ接合端部の位置が変化するロウ付け部６を形成するための塗布パターンとなる。

さらに、隣り合う歯底部１６毎に、軸１４の軸方向における位置が３以上の複数に異なる位置でかつ一部の軸方向長さが異なるようにスラリー１８を供給すれば、図５に示すようなロウ付け長が長短に変化し、かつ接合端部の位置がランダムに変化するロウ付け部６を形成するための塗布パターンとなる。

このノズル２０の位置制御及びスラリーの軸方向供給長さの制御は、予め塗布パターンをプログラムを組み込んだＣＰＵと、その指令によりノズル２０を移動させる位置制御装置によって行うことができる。このとき、ＣＰＵは検出器２２の検出する歯底部の位置情報に基づいてノズル位置を制御し、かつ電磁弁１９のオン・オフを制御して供給するスラリー量を調節する。

なお、このようなスラリーの塗布パターンを制御する装置は、上記ノズル２０を移動させるものばかりでなく種々可能であり、例えば、スラリー１８の塗布長さだけを長短に変化させるのであれば、ノズル２０を移動させず定点に位置させ、スラリー１８の供給量だけを変化させればよい。この場合、供給量の変化数だけ、スラリー１８の塗布長が変化して、その軸１４方向における端部が変化する。

また、塗布ギヤ１１を回転軸方向と平行に移動させるようにしてもよい。このようにすれば塗布ギヤ１１の軸１４方向における厚さを、ロウ付け長の最も長いもの程度に合わせればよく、比較的薄くすることができる。また、ノズル２０の移動と塗布ギヤの移動を組み合わせてもよい。

なお、本実施例では、スラリー供給手段１７が、塗布ギヤ１１の外方から各歯底部１６にスラリー１８を供給する構成になっているので、塗布ギヤ１１の内部構成を単純化しつつスラリー１８を各歯底部１６に供給することができる。
但し、スラリー供給形式は、塗布ギヤ１１の内側からスラリー１８を各歯底部１６に供給する等種々に変更できる。

次に、本実施形態の作用を説明する。図３〜５に示すように、複数層をなす各平板４の同一面（例えば、表面４ａ）側におけるロウ付け部６（例えば、表面側接合部６ａ）のうち、少なくとも一部の入り口側端部６ｃ及び出口側端部６ｄの位置が各層間で不揃いになるように配置したので、振動による応力が集中する接合部と非接合部との境界部が各層間で異なることになる。このため、応力発生位置がハニカム構造体１３内におけるより広範囲に分散し、ハニカム構造体１３における特定位置、すなわち各層の軸方向における同じ位置に対して応力集中が生じないようにすることができる。

しかも、端部間が不揃いとなっていても、各ロウ付け部６の長さ方向における中間部の大部分は各層間で相互に重なっているから、全体としては十分に大きな接合強度を維持できる。
そのうえ、不揃いとなるのは、各層の同一面間における関係においてのみ成立し、各層の表裏における表面側接合部６ａと裏面側接合部６ｂは一致して重なっているから、さらに大きな接合強度を維持できる。
このため、ハニカム構造体３は全体として耐振動性を向上させて耐久性を向上させることができる。

このとき、上記個別のロウ付け長Ｌ１又はＬ１ａ、Ｌ１ｂ、Ｌ１ｃ・・・の全長Ｌ０に対する比が、０．１〜０．４５の範囲に設定されるので、各ロウ付け部６における十分な接合強度を維持できるとともに、不揃いの端部を容易に形成することができる。なお、上記の比が０．１未満であれば、接合強度の確保が困難になる。また、上記の比が０．５０を越えると、全体ロウ付け長Ｌ２の全長Ｌ０に対する比（Ｌ２／Ｌ０）を０．５０程度以下に抑えることが難しくなり、接合部が入り口側の熱影響を受け易くなる。

また、上記全体ロウ付け長と全長の比（Ｌ２／Ｌ０）を、０．１５〜０．５０程度とすることにより、個別のロウ付け長と全長との比を上記範囲に設定しても、全体の接合強度が十分でかつ、排ガス自体及び活性化した触媒によってより高温化した入り口側の熱影響を受けにくいものにすることができる。すなわち、ハニカム構造体３全体としては、軸方向のロウ付け領域を、全長のうち出口３ｂ側寄り１／２（０．５０）以下かつ０．１５以上とするから、高温の入り口３ａ側から十分に離れて熱影響の少ない範囲に必要な強度を確保した状態で接合できる。

このため、冷熱サイクルに対して十分な接合強度を維持でき、耐久性を向上させることができる。しかも、図３のようなロウ付け部６の千鳥配置、又は図４及び５におけるような比較的ランダムな配置により、接合部を上記の比（Ｌ２／Ｌ０）の範囲内で分散させるため、個々のロウ付け部６の長さを全体の接合領域（全体ロウ付け長Ｌ２）よりも短くして、全体の接合強度を確保しつつも接合面積を小さくすることができる。したがって、冷熱サイクルに耐える十分な接合強度を確保しつつ接合面積を小さくして、高価なロウ付け材料の使用量を節約可能にすることによりコストダウンを実現できる。

そのうえ、ハニカム構造体３の出口３ｂ側をケース２の出口２ｂ側と接合して固定端部とし、他端である入り口３ａ側をケース２の入り口２ａ側と非接合の自由端部とするとともに、この自由端部にロウ付け部６の両端のうち少なくとも入り口側端部６ｃを各層の同一面間における不揃いの端部としたので、より高温となる入り口３ａ側の熱変形を自由にし、ロウ付け部６に対する影響を小さくでき、冷熱サイクルに対する耐久性を向上できる。

さらに、図４及び５に示すように、ロウ付け部６のロウ付け長を、Ｌ１ａ、Ｌ１ｂ又はＬ１ｃ・・・と各層間で長短不揃いにしたので、ロウ付け部６の端部間における不揃い構造をより簡単に実現できる。

また、上記のように、メタル担体１は排気振動が加わっても耐振動に優れ、かつ活性化された触媒により高温化した排ガスに接触しても冷熱サイクルに耐えるものとなるので、ハニカム構造体３を構成する板材４及び５を可能な限り薄くして空隙率を大きくすることにより表面積を大きくし、排ガスの通気量を多量に確保しつつ浄化効率を上げることができる。

なお、本願発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、発明の原理内において種々に変形や応用が可能である。例えば、各ロウ付け部６のロウ付け長Ｌ１を３種類以上のより多数にしてもよい。
また、共通の平板４に対して、その表裏に形成される表側接合部６ａと裏側接合部６ｂの軸方向位置を互いにずらしてもよい。
さらに、各層の同一面間において不揃いとなる端部は、入り口側端部６ｃのみとし、出口側端部６ｄは互いに揃えるようにしてもよい。

実施形態に係る排ガス浄化器の斜視図 ハニカム構造体の一部拡大図 第１実施例に係る排ガス浄化器の模式的軸方向断面図 第２実施例に係る図３と同様図 第３実施例に係る図３と同様図 ハニカム構造体の製造装置の構成を示す図 図６の要部拡大図

符号の説明

３：ハニカム構造体、４：平板、５：波板、５ａ：頂部、１０：スラリー供給部、１１：塗布ギヤ、１７：スラリー供給手段、１８：スラリー

Claims (8)

1. 平板（４）と波板（５）を重ねた積層板を巻回して複数層に形成した金属ハニカム構造体（３）と、この金属ハニカム構造体（３）の外周を囲む金属外筒（２）を備え、金属ハニカム構造体（３）を金属外筒（２）内に圧入して接合した排ガス浄化用メタル担体（１）において、
   前記複数層をなす前記金属ハニカム構造体（３）の出口（３ｂ）側各層における平板（４）と波板（５）の接合部を軸方向へロウ付けするとともに、
   このロウ付けされた部分であるロウ付け部（６）は軸方向断面にて隣り合う各層間で重なり合う部分を有し、
   さらに、前記各平板（４）の同一面側における前記ロウ付け部（６）の端部（６ｃ・６ｄ）のうち少なくとも一部が各層間で不揃いに配置され、
   前記金属ハニカム構造体（３）の軸方向両端（３ａ・３ｂ）のうち、一端を前記金属外筒（２）内の出口（２ｂ）側と接合して固定端部にするとともに、他端を前記金属外筒（２）の入り口側（２ａ）と非接合の自由端部とし、
   前記金属ハニカム構造体（３）の軸方向における前記ロウ付け部（６）の両端（６ｃ・６ｄ）のうち、前記不揃いの端部を前記自由端部側に位置させたことを特徴とする排ガス浄化用メタル担体構造。
2. 前記ロウ付け部（６）のロウ付け長を、各層間で長短不揃いにしたことを特徴とする請求項１の排ガス浄化用メタル担体構造。
3. 前記ロウ付け部（６）を設けたロウ付け範囲長（Ｌ２）を、前記金属ハニカム構造体（３）の全長（Ｌ０）に対して１／２以下としたことを特徴とする請求項１の排ガス浄化用メタル担体構造。
4. 各層の前記ロウ付け部（６）における表側接合部（６ａ）と裏側接合部（６ｂ）は相対的に周方向にずれていることを特徴とする請求項１の排ガス浄化用メタル担体構造。
5. 前記ロウ付け部（６）のろう材は、前記波板（５）の凹凸に噛み合う歯（１５）を有する塗布ギヤ（１１）の歯底部（１６）に供給されて前記波板（５）の頂部（５ａ）に塗布されるとともに、前記ろう材の供給量を変化させることにより各層間の前記ロウ付け部（６）の端部を不揃いに形成したことを特徴とする請求項１の排ガス浄化用メタル担体構造。
6. 各層の前記ロウ付け部（６）における表側接合部（６ａ）と裏側接合部（６ｂ）はそれぞれ軸方向にて表裏で重なっていることを特徴とする請求項１の排ガス浄化用メタル担体構造。
7. 前記金属外筒（２）と前記金属ハニカム構造体（３）との間はロウ付けされた外周接続部（７）をなし、この外周接続部（７）のロウ付け長よりも各ロウ付け部（６）のロウ付け長が短いことを特徴とする請求項１の排ガス浄化用メタル担体構造。
8. 前記金属ハニカム構造体（３）の全長（Ｌ０）と前記ロウ付け範囲長（Ｌ２）との比、Ｌ２／Ｌ０が０．１５〜０．５であることを特徴とする請求項３の排ガス浄化用メタル担体構造。

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